ASCE – El blog de Víctor Yepes

De la regla de cálculo al ordenador: olvidarse de cómo se calculaba antes

Henry Petroski. https://es.wikipedia.org/wiki/Henry_Petroski

Henry Petroski, ingeniero civil estadounidense y profesor en la Universidad de Duke en Durham (Carolina del Norte) escribió un libro que recomiendo a mis estudiantes y a cualquier profesional de la ingeniería que se llama “La ingeniería es humana. La importancia del fallo en el éxito del diseño“. Este libro está editado en castellano por la editorial CINTER, traducido por María Eugenia Matamala Pérez y prologado por Robert Brufau.

Todos los capítulos son verdaderamente interesantes, pero me gustaría destacar el que se llama “De la regla de cálculo al ordenador: olvidarse de cómo se calculaba antes”. De este tema ya he hablado en mi blog en alguna ocasión: https://victoryepes.blogs.upv.es/2013/09/10/los-ingenieros-los-ordenadores-y-mil-un-indios/ y también cuando hablaba de las cifras significativas y los errores de precisión. Os remito a su lectura.

La conclusión es muy clara, un ingeniero debería saber de antemano el orden de magnitud del cálculo antes de calcularlo realmente. Dejar todo al libre albedrío del ordenador sin criterio para saber si el resultado final es aceptable o no, es un riesgo inaceptable. Eso explica el éxito de libros sobre “Números gordos” o bien cómo la investigación puede llevarnos a descubrir fórmulas de predimensionamiento útiles en la práctica (ver el artículo que escribí sobre cómo predimensionar un muro sin calculadora).

Pero no voy a ser “spoiler” de libro de Petroski. Simplemente os adjunto lo que la American Society of Civil Engineers (ASCE) indicó cuando anunció el Premio Mead (es un premio anual para estudiantes de ingeniería civil que otorga el ASCE un trabajo sobre la ética profesional):

“Los ingenieros civiles han recurrido al ordenador en busca de mayor rapidez y productividad. Sin embargo, ¿se corre el riegos de comprometer la seguridad y el bienestar del usuario? Muchos han predicho que los fallos futuros de ingeniería se atribuirán al uso o el mal uso de los ordenadores. ¿Se está convirtiendo en habitual aceptar un proyecto cuando no se tiene experiencia simplemente porque se dispone de un paquete de software? ¿Cómo pueden garantizar los ingenieros civiles la precisión del programa del ordenador y que el ingeniero civil está cualificado para usarlo de manera apropiada?”

Os dejo estas preguntas para pensar. Es evidente que un ordenador no deja de ser más que una regla de cálculo electrónico o los cuadernos de cálculo de toda la vida. Muchas ventajas, pero mucha precaución en su empleo.

Referencia:

PETROSKY, H. (2007). La ingeniería es humana. La importancia del fallo en el éxito del diseño. Ed. CINTER, 320 pp.

Market demands on construction management: A view from graduate students

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This paper must be cited as:

https://riunet.upv.es/handle/10251/89675

Pellicer Armiñana, E.; Yepes Piqueras, V.; Ortega Llarena, AJ.; Carrión García, A. (2017). Market demands on construction management: A view from graduate students. JOURNAL OF PROFESSIONAL ISSUES IN ENGINEERING EDUCATION AND PRACTICE. 143(4):1-11. doi:10.1061/(ASCE)EI.1943-5541.0000334

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La “crisis” de las infraestructuras

Preservar las infraestructuras en un estado mínimamente adecuado de conservación y mantenimiento es una necesidad de primer orden en cualquier sociedad. Sin embargo, por motivos que a veces son estructurales y otras coyunturales, los responsables de esta tarea no prestan la atención y los recursos necesarios para este cometido. Parece que la inversión en conservación de los activos siempre ha sido insuficiente incluso en países desarrollados.

En efecto, parece evidente que el desarrollo económico que tuvo lugar en países como el nuestro en la última parte del siglo XX se centró, en el caso por ejemplo de las carreteras, en ampliar la red para apoyar dicho desarrollo. Si bien es cierto que estas nuevas infraestructuras nacen con un periodo de vida relativamente largo, también es cierto que una parte nada desdeñable de dicha infraestructura está empezando a notar el paso del tiempo, y lo que es peor, parece que podemos vivir dentro de un horizonte no tan lejano, a un verdadero colapso en los niveles de servicio prestados por estos activos. Lo peor de todo ello es que estas infraestructuras se financiaron a largo plazo y la siguiente generación se va a encontrar con la sorpresa de tener que pagar Continue reading “La “crisis” de las infraestructuras” →

Algoritmos meméticos para el diseño de puentes de carretera de vigas prefabricadas de hormigón pretensado con fibras de acero

Nos han publicado un artículo científico en la prestigiosa revista Journal of Structural Engineering, del ASCE (American Society of Civil Engineers). Esta investigación se enmarca dentro del proyecto HORSOST que está desarrollando nuestro equipo de investigación, y he pensado que puede ser de interés comentarla brevemente en el blog.

En este trabajo se describe la influencia de las fibras de acero en el diseño de coste mínimo de puentes de carretera de vigas prefabricadas con sección transversal en doble U pretensadas y vanos isostáticos. Para ello se utiliza un algoritmo memético con una búsqueda en entornos variable (MA-VDNS) para optimizar el coste de estas estructuras contando las fases de fabricación, transporte y construcción del puente. El problema implica 41 variables de diseño discretas que definen la geometría de la viga y de la losa, los materiales en ambos elementos, las armaduras pasiva y activa y la resistencia residual a tracción de las fibras. El uso de las fibras disminuye el peso medio de la viga en un 1,72% y reduce el número medio de tendones en un 3,59%; sin embargo, incrementa un 8,71% de media la armadura pasiva necesaria. Por último, y a pesar del mayor coste del hormigón con fibras, se comprueba que su uso es económicamente viable, pues se consigue una diferencia relativa media de coste respecto al hormigón sin fibras, inferior al 0,19%.

Resultados interesantes:

A pesar del mayor coste económico del hormigón con fibras y de que el estado de decompresión del hormigón no ocurre en ninguna fibra de la sección de la viga por el pretensado, el hormigón con fibras es competitivo económicamente respecto al no uso de fibras, puesto que la diferencia relativa es inferior al 5,36% en el peor de los casos.
El estudio paramétrico realizado indica una buena correlación del coste, canto y peso de la viga y número de tendones respecto a la luz del puente. Esto permite un predimensionamiento ajustado.
Se ha comprobado que las fibras reducen de media un 3,59% el número de tendones necesarios, lo cual significa que su uso puede compensar parte del pretensado necesario.
Sorprende comprobar que el uso de fibras incrementa de media un 8,71% la armadura necesaria por unidad de superficie de losa. Esto se puede explicar debido a que la carestía del hormigón con fibras hace que el algoritmo intente disminuir su volumen, lo cual se compensa con el incremento de armadura pasiva.
En el caso de las estructuras óptimas, se ha encontrado una reducción del 6% del peso de las vigas realizadas con fibras, lo cual puede ser relevante para el transporte e izado de los elementos.

Referencia:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2015). A memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering ASCE, 141(2): 04014114. DOI:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001058 , 04014114.

Abstract

This paper describes the influence of steel fiber-reinforcement on the design of cost-optimized, prestressed concrete, precast road bridges, with a double U-shaped cross-section and isostatic spans. A memetic algorithm with variable-depth neighborhood search (MA-VDNS) is applied to the economic cost of these structures at different stages of manufacturing, transportation and construction. The problem involved 41 discrete design variables for the geometry of the beam and the slab, materials in the two elements, active and passive reinforcement, as well as residual flexural tensile strength corresponding to the fibers. The use of fibers decreases the mean weight of the beam by 1.72%, reduces the number of strands an average of 3.59%, but it increases the passive reinforcement by 8.71% on average, respectively. Finally, despite the higher cost of the fibers, their use is economically feasible since the average relative difference in cost is less than 0.19%.

Keywords: Heuristic optimization; precast beam; prestressed concrete bridge; steel fiber; structural design.

Link: http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29ST.1943-541X.0001058

El demoledor informe ASCE respecto a las redes de abastecimiento de agua potable

Rotura de la tubería de agua en Boston, 1925. Leslie Jones, Boston Public Library

Llevamos varios artículos reflexionando sobre la necesidad de durabilidad y mantenimiento de las infraestructuras. Ya se ha comentado varias veces que la crisis silenciosa, profunda y demoledora es la actual «crisis de las infraestructuras», con un efecto que, con la política actual de inversiones en mantenimiento, va a provocar en poco tiempo un gran impacto en la calidad de vida de los ciudadanos.

A este respecto, voy a hacerme eco del 2013 Report Card for America’s Infrastructure del ASCE. Se trata de un informe que califica el estado de las infraestructuras de todo tipo en Estados Unidos. En particular, nos centraremos en las infraestructuras de abastecimiento de agua potable, que han obtenido una calificación actual de D, por debajo de lo admisible. Los datos que se citan a continuación constituyen una auténtica bola de cristal que permite vislumbrar claramente lo que puede ocurrir en España con este tipo de infraestructuras. El documento completo lo podéis descargar en pdf aquí: http://www.infrastructurereportcard.org/a/documents/Drinking-Water.pdf

Existen casi 170 000 redes de abastecimiento de agua potable en Estados Unidos, de las cuales 54 000 son sistemas públicos que suministran agua a más de 264 millones de personas. Sin embargo, gran parte de la infraestructura del agua potable de Estados Unidos ha llegado al final de su vida útil y muchas de ellas tienen más de 100 años de antigüedad. Se estima en 240.00 roturas de tuberías de agua al año, lo cual significa que su reemplazamiento puede costar más de 1 billón (10¹²) de dólares, según datos de la American Water Works Association (AWWA). [No confundir los billones y trillones americanos con los europeos]

Si bien es cierto que se están ampliando continuamente estas redes de suministro, estos sistemas presentan componentes cuya vida útil puede oscilar entre 15 y 95 años. Este dato indica que gran parte de la infraestructura de las ciudades más antiguas del país debería reemplazarse de inmediato. Las roturas y los fallos provocan daños en las carreteras, problemas en caso de incendios, interrupciones en el transporte, el comercio, etc. Se estima que en Estados Unidos existen más de un millón y medio de kilómetros de tuberías enterradas en condiciones desconocidas. Algunas de ellas datan de la guerra de Secesión y no se inspeccionan hasta que existe un problema o una rotura. Las roturas son cada vez más comunes y se estima que superan las 240 000 cada año.

La determinación del estado real de las redes sería rentable, pues permitiría abordar su mantenimiento antes de que se produjeran fallos, lo que supondría un ahorro muy notable de los costes. Además, se podrían evitar sustituciones de tramos que estuviesen en buenas condiciones. La Environmental Protection Agency (EPA) estima que aproximadamente entre 6500 y 8000 kilómetros de tuberías se reemplazan anualmente. Sin embargo, para el año 2035, el pico de reposición anual podría oscilar entre 25 500 y 32 000 km. Además, una parte de las tuberías instaladas a mediados del siglo XX empezará a fallar masivamente.

En 2012, la AWWA estimó que el valor de reposición total de los más de millón y medio de kilómetros de tuberías es de aproximadamente 2,1 billones de dólares (2,1×10¹²) si se reemplazaran todas las tuberías simultáneamente. Si solo se actuara en los tramos en peor estado en los próximos 25 años, el coste sería de un billón de dólares aproximadamente.

El presupuesto de reposición se duplicará, pasando de los aproximadamente 13 000 millones de dólares anuales a los casi 30 000 millones (en dólares de 2010) en la década de 2040, lo que supondrá un encarecimiento muy importante de la facturación del agua y los impuestos locales. El retraso en la inversión puede degradar el servicio de abastecimiento de agua potable, lo que aumentará las interrupciones del servicio y los gastos en reparaciones de emergencia.

Según la AWWA, en el horizonte de 2050 se necesitarán más de 1,7 billones de dólares. Las previsiones de la EPA son más conservadoras, pues no tienen en cuenta el crecimiento de la población. En 2007, hicieron una previsión a 20 años de 334,8 mil millones de dólares para 53 000 redes públicas y 21 400 redes de entidades sin ánimo de lucro. Se necesitarían 199 mil millones de dólares para los sistemas de distribución, 67 mil millones para los sistemas de tratamiento de aguas y 39 mil millones para el almacenamiento del agua.

Estas necesidades se traducen en más de 1000 dólares por persona en gran parte de los Estados Unidos. Estas necesidades no se están cubriendo al ritmo necesario. En 2008, los gobiernos estatales y locales estimaron un gasto anual total de 93 000 millones de dólares en aguas residuales e infraestructura de agua potable. Las asignaciones del Congreso han disminuido durante el periodo 2008-2012, con una asignación de solo 6,9 mil millones de dólares, con un promedio de 1380 millones de dólares anuales, o lo que es lo mismo, 27,6 mil millones en 20 años. Esto es solo el 8 % de las necesidades identificadas por la EPA.

Innovación creativa en las empresas constructoras españolas

Resumen: Las pequeñas y medianas empresas constructoras se caracterizan por estructuras organizativas muy enfocadas en el control. Como consecuencia de ello, los empleados se centran en las actividades del día a día, con poco tiempo o motivación para generar ideas creativas. Normalmente, las mejoras tecnológicas en estas empresas surgen como resultado de la resolución de los problemas que surgen el la propia obra. Sin embargo, esta situación está cambiando. Algunas administraciones públicas españolas ya consideran la innovación como un valor añadido a la hora de adjudicar una obra; por tanto, las grandes empresas han visto rentable sistematizar sus esfuerzos en innovación. Esta actitud también está afectando a las pequeñas y medianas empresas, que empiezan a modificar su actitud hacia la innovación para mantener la competitividad. La implantación de un sistema de mejora de la innovación y de gestión del conocimiento puede ser la solución para superar esta desventaja. En el presente artículo se analiza la implantación de un sistema de gestión de la innovación realizada por una empresa constructora de tamaño medio durante un periodo de 9 años. El sistema se basa en un conjunto de procesos orientados a generar proyectos de innovación que permitan al contratista documentar la innovación, no sólo con fines internos relacionados con la gestión del conocimiento, sino también para conseguir objetivos externos asociados con la obtención de mejores resultados en las adjudicaciones públicas. Estos procesos son los siguientes: (1) vigilancia tecnológica, (2) creatividad, (3) planificación y ejecución de proyectos de innovación, (4) transferencia tecnológica, y (5) protección de resultados. El último paso es la retroalimentación de todo el proceso a través de la evaluación de los resultados finales. La implantación de un sistema de innovación se asegura en una organización a través de la capacitación del personal, la participación de las partes interesadas y el fomento de la cultura de la innovación.

Palabras clave: Construcción, innovación, gestión, proceso, sistema.

Leer más en: http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29EI.1943-5541.0000251

Referencia:

Yepes, V., Pellicer, E., Alarcón, L., and Correa, C. (2015). “Creative Innovation in Spanish Construction Firms.” J. Prof. Issues Eng. Educ. Pract. , 10.1061/(ASCE)EI.1943-5541.0000251 , 04015006.