En este artículo se explica el proyecto RESILIFE, cuyos investigadores principales son Víctor Yepes y Julián Alcalá, de la Universitat Politècnica de València. Se trata de un proyecto de investigación de carácter internacional en el que también colaboran profesores de Brasil, Chile y China. Además, se están realizando varias tesis doctorales de estudiantes de Cuba, Perú, México y Ecuador, así como de estudiantes españoles. A continuación, se describe brevemente el proyecto y se incluye una comunicación reciente donde se explica con más detalle.
El proyecto RESILIFE se centra en optimizar de forma resiliente el ciclo de vida de estructuras híbridas y modulares para conseguir una alta eficiencia social y medioambiental, especialmente en condiciones extremas. La investigación aborda la necesidad de diseñar, construir y mantener infraestructuras que puedan resistir y recuperarse rápidamente de desastres naturales o provocados por el ser humano, minimizando las pérdidas y el impacto en la sociedad y el medioambiente. Para ello, el estudio propone utilizar inteligencia artificial, metaheurísticas híbridas, aprendizaje profundo y teoría de juegos en un enfoque multicriterio. El objetivo es mejorar la seguridad, reducir costes y optimizar la recuperación, alineándose con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). La metodología integral incluye el análisis del ciclo de vida, así como la aplicación de lógica neutrosófica y redes bayesianas para la toma de decisiones.
¿Qué problema aborda el proyecto RESILIFE y por qué es urgente?
El proyecto RESILIFE aborda el desafío crítico que supone diseñar y mantener infraestructuras resilientes y sostenibles frente a desastres naturales y provocados por el ser humano. La urgencia es evidente debido a las enormes pérdidas humanas y económicas causadas por estos eventos (más de 1,1 millones de muertes y 1,5 billones de dólares en pérdidas entre 2003 y 2013), lo que subraya la necesidad de estructuras de alto rendimiento que protejan vidas y economías, al tiempo que se alinean con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas. Además, los errores de diseño y construcción, así como la falta de mantenimiento, han demostrado ser causas significativas de colapso estructural, y solo el 50 % de las reparaciones de hormigón resultan efectivas en Europa.
¿Cuál es el objetivo principal de RESILIFE?
El objetivo general del proyecto RESILIFE es optimizar el diseño, el mantenimiento y la reparación de estructuras híbridas y modulares (MMC) de alta eficiencia social y medioambiental para que puedan resistir condiciones extremas. Para ello, se deben abordar problemas complejos de toma de decisiones en los ámbitos público y privado, integrando criterios de sostenibilidad social y medioambiental durante todo el ciclo de vida de las estructuras y teniendo en cuenta la variabilidad e incertidumbre inherentes al mundo real. El objetivo es que estas estructuras sean tan seguras como las tradicionales, pero con una mayor capacidad de recuperación rápida y un menor impacto social y medioambiental.
¿Qué tipos de estructuras son el foco de RESILIFE y por qué?
El proyecto se centra en estructuras híbridas (que combinan, por ejemplo, acero y hormigón) y en estructuras basadas en métodos modernos de construcción (MMC), especialmente las modulares. Estas estructuras se han elegido como objeto de estudio debido a su gran potencial para mejorar la resiliencia estructural, la eficiencia en la construcción (al reducir las interrupciones en obra y mejorar el control de calidad) y la sostenibilidad. A pesar de sus ventajas, se han identificado lagunas en la investigación sobre su optimización para eventos extremos y su aplicación en estructuras complejas, aspectos que el proyecto RESILIFE busca subsanar.
¿Qué metodologías innovadoras utiliza RESILIFE para lograr sus objetivos?
RESILIFE emplea un enfoque multidisciplinario e innovador que integra diversas técnicas avanzadas:
Análisis del ciclo de vida (ACV): Para evaluar los impactos de las estructuras desde su concepción hasta su demolición.
Diseño óptimo robusto basado en fiabilidad: Para asegurar que las soluciones optimizadas sean viables y resistentes a pequeños cambios o incertidumbres.
Modelado de información para la construcción (BIM) y gemelos digitales: Para integrar el proyecto estructural y ofrecer control y adaptabilidad en tiempo real.
¿Cómo aborda RESILIFE la incertidumbre y la variabilidad en el diseño y mantenimiento de estructuras?
El proyecto aborda la incertidumbre y la variabilidad mediante varias estrategias:
Análisis de funciones de distribución de eventos extremos: Para el diseño óptimo basado en fiabilidad.
Metamodelos y metaheurísticas híbridas basadas en fiabilidad: Permiten manejar la aleatoriedad de los parámetros y asegurar que los proyectos optimizados no sean inviables ante pequeños cambios en las condiciones.
Técnicas de decisión multicriterio (lógica neutrosófica y redes bayesianas): Integran aspectos inciertos y criterios subjetivos en la toma de decisiones.
Análisis de sensibilidad: De los escenarios presupuestarios y las hipótesis del ciclo de vida para identificar las mejores prácticas.
¿Qué se entiende por «resiliencia» en el contexto de RESILIFE y cómo se cuantifica?
En el contexto de RESILIFE, la resiliencia se define como la capacidad de una estructura para resistir eventos extremos, mantener su funcionalidad o recuperarla rápidamente con reparaciones mínimas tras sufrir daños, y con un bajo coste social y medioambiental. El objetivo es ir más allá de la simple resistencia y centrarse en la capacidad de adaptación y recuperación. El proyecto tiene como objetivo desarrollar procedimientos explícitos para cuantificar la resiliencia de las estructuras e infraestructuras en el contexto de múltiples amenazas, un aspecto que actualmente presenta una laguna en la investigación. Esto incluye tener en cuenta la funcionalidad técnico-socioeconómica y los impactos a lo largo de toda su vida útil.
¿Qué tipo de casos de estudio se aplican en la metodología RESILIFE?
La metodología de RESILIFE se aplica a varios casos de estudio clave:
Optimización de pórticos de edificios altos: Con estructura de acero híbrido y hormigón armado, sometidos a un fuerte incremento de temperatura, o ante el fallo completo de soportes para evitar el colapso progresivo.
Viviendas sociales prefabricadas en zonas sísmicas: Optimizando su resistencia a acciones extremas y su capacidad de reparación rápida.
Otras estructuras como puentes mixtos y estructuras modulares: Ampliando el alcance más allá de las viviendas. Estos casos de estudio permiten validar la aplicabilidad de las metodologías propuestas en situaciones reales y complejas.
¿Cuáles son las principales contribuciones esperadas de RESILIFE a la ingeniería estructural y la sostenibilidad?
Las principales contribuciones esperadas de RESILIFE son:
Desarrollo de soluciones constructivas innovadoras: Como conexiones especiales y estructuras fusibles para aumentar la resiliencia y evitar el colapso progresivo.
Formulación de metodologías de participación social: Para integrar criterios objetivos y subjetivos en decisiones multicriterio.
Propuesta de técnicas de optimización multiobjetivo avanzadas: Basadas en metaheurísticas híbridas de deep learning, teoría de juegos y fiabilidad.
Introducción de nuevas métricas: Que prioricen soluciones resilientes en la frontera de Pareto.
Identificación de políticas presupuestarias efectivas: Y definición de buenas prácticas de diseño, reparación y mantenimiento robusto en construcciones MMC y estructuras híbridas.
Avances en la modelización y evaluación: De la sostenibilidad a largo plazo y el impacto ambiental de las infraestructuras, contribuyendo a normativas y software de diseño más eficientes.
Resiliencia (estructural): Capacidad de una estructura para absorber, resistir, adaptarse y recuperarse de un evento extremo, manteniendo o recuperando su funcionalidad rápidamente y con costes mínimos.
Estructuras híbridas: Estructuras que combinan dos o más materiales estructurales diferentes, como acero y hormigón, para optimizar sus propiedades y rendimiento.
Estructuras modulares: Estructuras compuestas por unidades o módulos prefabricados que se ensamblan en el lugar de la construcción, ofreciendo ventajas en velocidad de construcción y control de calidad.
Eventos extremos: Desastres naturales (terremotos, tsunamis, inundaciones) o provocados por humanos (explosiones, impactos) que causan daños significativos a las estructuras y la sociedad.
Optimización del ciclo de vida: Proceso de diseño, construcción, mantenimiento y reparación de una estructura, considerando su impacto total (económico, social, ambiental) a lo largo de toda su vida útil.
Sostenibilidad: Principio que busca satisfacer las necesidades actuales sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades, integrando aspectos ambientales, sociales y económicos.
Inteligencia artificial (IA): Campo de la informática que dota a las máquinas de la capacidad de aprender, razonar y resolver problemas, utilizada aquí para evaluar y mejorar la resiliencia.
Metaheurísticas híbridas: Algoritmos de optimización que combinan diferentes técnicas heurísticas o metaheurísticas para encontrar soluciones eficientes a problemas complejos, especialmente en la optimización multiobjetivo.
Aprendizaje profundo (Deep Learning – DL): Subcampo del aprendizaje automático que utiliza redes neuronales artificiales con múltiples capas para aprender representaciones de datos, aplicado para mejorar la toma de decisiones y reducir tiempos de cálculo.
Teoría de juegos: Rama de las matemáticas que estudia las interacciones estratégicas entre agentes racionales, aplicada en la optimización multiobjetivo para el diseño de estructuras.
Lógica neutrosófica: Marco matemático para tratar la indeterminación y la inconsistencia, utilizado en la toma de decisiones multicriterio para manejar la incertidumbre.
Redes bayesianas: Modelos gráficos probabilísticos que representan relaciones de dependencia condicional entre variables, empleadas en el análisis multicriterio y la gestión de incertidumbre.
Colapso progresivo: Fenómeno en el cual un daño inicial localizado en una estructura se propaga a otras partes, llevando al colapso desproporcionado de una gran porción o de toda la estructura.
Modern Methods of Construction (MMC): Métodos de construcción modernos que incluyen tecnologías de prefabricación, construcción modular e impresión 3D, buscando mayor eficiencia y control de calidad.
BIM (Building Information Modeling / Modelos de Información en la Construcción): Proceso de creación y gestión de un modelo digital de un edificio o infraestructura, que facilita la integración del proyecto estructural y la toma de decisiones a lo largo del ciclo de vida.
Metamodelo (o modelo subrogado): Modelo simplificado de un sistema complejo que permite realizar cálculos más rápidos y eficientes, crucial para reducir los tiempos de computación en la optimización.
Diseño óptimo basado en fiabilidad: Enfoque de diseño que considera la probabilidad de fallo y las incertidumbres inherentes para optimizar las estructuras, garantizando un nivel de seguridad predefinido.
Frontera de Pareto: Conjunto de soluciones óptimas en problemas de optimización multiobjetivo, donde ninguna de las funciones objetivo puede mejorarse sin degradar al menos otra función objetivo.
Agradecimientos:
Grant PID2023-150003OB-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, and the European Regional Development Fund (ERDF), a program of the European Union (EU).
La formación en ingeniería está experimentando una transformación profunda, impulsada por desafíos globales como el cambio climático, la revolución digital y la creciente brecha entre la enseñanza académica y las exigencias del mercado laboral. A continuación, analizamos el trabajo de Hadgraft y Kolmos (2020), donde se explora cómo la educación en ingeniería está evolucionando para hacer frente a estos retos mediante cuatro tendencias clave: el aprendizaje centrado en el estudiante, el aprendizaje contextual, la digitalización de la enseñanza y el desarrollo de competencias profesionales. A partir de estas líneas de cambio, se propone que la educación futura debe pasar de un enfoque en disciplinas individuales a currículos integrados que aborden problemas complejos y promuevan trayectorias de aprendizaje personalizadas. En última instancia, se hace hincapié en la necesidad de un cambio sistémico en el diseño curricular para preparar a los ingenieros para un futuro laboral en constante cambio.
La educación en ingeniería se enfrenta a tres desafíos fundamentales: la sostenibilidad y el cambio climático, la Cuarta Revolución Industrial (Industria 4.0) y la empleabilidad de los graduados. Estos desafíos exigen que los ingenieros del futuro posean habilidades transdisciplinares, pensamiento sistémico y contextual, y la capacidad de actuar en situaciones complejas y caóticas. Para responder a estas necesidades, la educación en ingeniería ha evolucionado hacia un enfoque centrado en el estudiante, la integración de la teoría y la práctica, el aprendizaje digital y en línea, y el desarrollo de competencias profesionales. A largo plazo, se tenderá a modelos curriculares más personalizados y centrados en proyectos que permitan a los estudiantes construir sus propias trayectorias de aprendizaje y documentar sus competencias para el aprendizaje a lo largo de la vida.
1. Desafíos clave para la educación en ingeniería
Se identifican tres desafíos principales que están impulsando la necesidad de transformar la educación en ingeniería:
Sostenibilidad y cambio climático: la ingeniería es fundamental para abordar los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la ONU, especialmente en lo que respecta a la pobreza, el hambre, la salud, el agua, la energía, el crecimiento económico y la acción climática. La educación en ingeniería debe preparar a los graduados para responder a estos desafíos humanitarios, sociales y económicos.
Cuarta Revolución Industrial (Industria 4.0): Esta revolución implica la integración generalizada de tecnologías como la automatización, el internet de las cosas (IoT), la inteligencia artificial (IA), la robótica y la fabricación aditiva. Tradicionalmente, la ingeniería no se ha enseñado de manera integradora, pero el éxito de la Industria 4.0 depende de la interacción y la integración de estas tecnologías. Esto requiere una mayor colaboración interdisciplinaria entre diferentes programas y disciplinas universitarias, como informática, análisis de datos, robótica, automatización, producción, gestión, electrónica y materiales. La segunda revolución industrial, que está en la agenda política e industrial, implica la integración generalizada de tecnologías como la automatización, el IoT, la IA, la robótica, los materiales avanzados, la fabricación aditiva, la impresión multidimensional, las bio-, nano- y neurotecnologías, y las realidades virtuales y aumentadas.
Empleabilidad y competencias de innovación: a pesar de la creciente importancia de habilidades como el emprendimiento y el pensamiento de diseño, aún existe una brecha entre la formación en ingeniería y la preparación para el mundo laboral. La integración de la teoría y la práctica mediante pasantías, proyectos en colaboración con el sector y laboratorios de aprendizaje son soluciones parciales. El aprendizaje basado en problemas o proyectos (PBL) se presenta como un mecanismo para abordar este desafío. La brecha entre la educación en ingeniería y la preparación para el trabajo sigue existiendo, por lo que se deben integrar la teoría y la práctica mediante un enfoque centrado en la empleabilidad y la colaboración con la industria mediante pasantías, proyectos de asociación y laboratorios de aprendizaje.
Desafíos principales que están impulsando la necesidad de transformar la educación en ingeniería
Estos tres desafíos exigen, en conjunto, un mayor énfasis en la responsabilidad social, la integración del contexto social y la interdisciplinariedad, combinados con habilidades digitales y genéricas.
2. Respuestas actuales y tendencias emergentes
La educación en ingeniería ha respondido a estos desafíos con cuatro tendencias principales que se materializarán a corto plazo:
Aprendizaje centrado en el estudiante: Un cambio significativo de la enseñanza tradicional (el profesor da la clase, los estudiantes escuchan) a un currículo más interactivo donde los estudiantes influyen en la dirección de su propio aprendizaje. Esto incluye metodologías como el aprendizaje activo, el aprendizaje colaborativo, el aprendizaje basado en equipos, el aprendizaje basado en el diseño, el aprendizaje basado en la investigación y, en particular, el aprendizaje basado en problemas y proyectos (PBL). El PBL ha demostrado su eficacia para aumentar la motivación, reducir las tasas de abandono y desarrollar competencias, y constituye una respuesta clave a la necesidad de un aprendizaje más complejo. El aprendizaje centrado en el estudiante es un área bien investigada. Los estudios sobre aprendizaje activo, aprendizaje basado en la investigación, aprendizaje basado en el diseño y aprendizaje basado en desafíos muestran efectos positivos en los resultados del aprendizaje. La motivación aumenta cuando los estudiantes inician proyectos, en los que identifican problemas y tienen un alto grado de influencia en la dirección del proyecto.
Aprendizaje contextual y basado en la práctica: Incorporación de elementos curriculares relacionados con situaciones laborales futuras, como pasantías, proyectos de la industria, emprendimiento y centros de innovación. Los proyectos iniciados externamente (por empresas o la comunidad) son particularmente valiosos porque son auténticos y exponen a los estudiantes a la complejidad del mundo real. Junto con la tendencia del aprendizaje centrado en el estudiante, existe una tendencia de aprendizaje contextual y relacionado con la práctica, en la que los estudiantes cuentan con elementos del currículo relacionados con situaciones laborales posteriores, como pasantías, proyectos de la industria, emprendimiento y centros de innovación.
Aprendizaje digital y en línea: Evolución del aprendizaje a distancia a estrategias de aprendizaje combinado (blended learning) que utilizan nuevas tecnologías como la realidad aumentada y la visualización 3D. El modelo del «aula invertida» (flipped classroom) es un ejemplo destacado, en el que los estudiantes se preparan con contenido en línea antes de clase y utilizan el tiempo en el aula para actividades interactivas y resolución de problemas. Este enfoque es una respuesta a la ineficacia de las clases magistrales tradicionales para los niveles superiores de la taxonomía de Bloom y los aspectos complejos del marco Cynefin. En la actualidad, el aprendizaje digital se centra en las estrategias de aprendizaje combinado. La digitalización es más que ofrecer plataformas y entornos de aprendizaje en línea como Blackboard o Moodle; consiste en usar nuevas tecnologías para el aprendizaje, como la realidad aumentada, la visualización 3D, etc. El modelo de «aula invertida», como enfoque centrado en el estudiante, es una respuesta a la metodología de enseñanza y aprendizaje más extendida en la educación en ingeniería, que consiste en un aprendizaje instructivo basado en libros de texto organizado como conferencias, tutoriales y laboratorios, combinado con la resolución de pequeños ejercicios.
Competencias profesionales: Reconocimiento de la creciente importancia de desarrollar competencias profesionales integradas para la empleabilidad en el siglo XXI. Esto incluye el «aprendizaje meta» para que los estudiantes identifiquen y desarrollen sus propias competencias de manera personalizada, a menudo a través de portafolios que les permitan articular su aprendizaje y trayectoria profesional. Se enfatiza la responsabilidad individual en la construcción de la trayectoria de aprendizaje, combinada con la participación en actividades colaborativas. Otro aspecto emergente en la educación en ingeniería es la creciente importancia del aprendizaje integrado de competencias profesionales. Los portafolios desempeñarán un papel fundamental en este proceso, ya que ayudarán a los estudiantes a presentar su aprendizaje a sí mismos, a sus mentores académicos y a futuros empleadores en una entrevista de trabajo.
Respuestas actuales y tendencias en la educación en ingeniería
3. La complejidad y los sistemas en la educación en ingeniería
Los desafíos del futuro requieren que los ingenieros operen en situaciones de complejidad creciente. El marco Cynefin se utiliza para clasificar las situaciones en simples, complicadas, complejas y caóticas, y prescribe diferentes enfoques para cada una:
Simple: Comportamiento bien entendido, «mejores prácticas» definidas. Se aplica el método «sentir, categorizar y responder» (ej. fundamentos de ingeniería, problemas de examen tipo fórmula).
Complicado: Requiere comportamiento experto, múltiples respuestas correctas. Se aplica «sentir, analizar y responder» (ej. diseño de puentes o teléfonos móviles; proyectos de diseño de estudiantes). La ingeniería de sistemas proporciona un marco estructurado.
Complejo: No hay una solución clara o única; surgen soluciones. Se aplica «probar, sentir y responder». Estos son los «problemas complejos» (wicked problems), caracterizados por no tener una formulación definitiva, no tener una mejor solución única, no tener un punto final claro, y donde cada intento de solución impacta el sistema. El diseño de sistemas de transporte para grandes ciudades es un ejemplo.
Caótico: Resultado de desastres, requiere acción inmediata para estabilizar antes de aplicar otros enfoques. No suelen ser el foco directo de un grado de ingeniería, excepto en la ética de la ingeniería, aprendiendo de desastres pasados.
Los currículos de ingeniería deben incluir formación para afrontar situaciones simples, complicadas y, crucialmente, complejas. Se necesitan currículos de ingeniería que incluyan la complejidad y lo complicado. Además, para educar a los estudiantes del futuro, deben tener la posibilidad de aprender tanto disciplinas específicas como la transdisciplinariedad, así como conocimientos y habilidades técnicos simples y complicados, y la complejidad que implica la comprensión del contexto, los sistemas, la sostenibilidad y los valores.
4. Modelos curriculares futuros e integrados
La evolución de las respuestas educativas muestra una transición de lo «dirigido por el profesor» a lo «dirigido por el estudiante» y de «módulos únicos» a «modelos de currículo completo».
Cambio a nivel de sistema: Existe una tendencia emergente a diseñar currículos a nivel de sistema, coordinando todos los elementos curriculares en lugar de simplemente agregar o modificar cursos individuales. Este enfoque sistémico es crucial para el aprendizaje de la complejidad. Pero, en términos generales, definitivamente ha habido un cambio de un entorno de aprendizaje dirigido por el profesor a otro mucho más dirigido por el estudiante. Además, está surgiendo la tendencia a desarrollar currículos a nivel de sistema, lo que implica coordinar todos los elementos del currículo.
Proyectos como núcleo: Los proyectos constituyen un elemento central en los modelos curriculares emergentes, especialmente aquellos iniciados por entidades externas (industria, comunidad). Estos proyectos permiten el desarrollo de habilidades técnicas, sociales y ambientales (comunicación, trabajo en equipo, ética, sostenibilidad) y de diseño y resolución de problemas (pensamiento de diseño, ingeniería de sistemas). También facilitan la consideración de perspectivas multidisciplinares y la comprensión de problemas en contexto, con múltiples puntos de vista y sistemas de valores.
Ejemplos de modelos emergentes:
University College London (UCL) – Integrated Engineering Program (IEP): Dedica una semana de cada cinco a un proyecto integrado. Esto permite a los estudiantes ver las conexiones entre diferentes módulos y disciplinas.
Charles Sturt University (CSU): Programa radicalmente diferente con tres semestres orientados a proyectos, donde los estudiantes aprenden «justo a tiempo» a través de módulos en línea y pasan la mitad de su tiempo en proyectos. Luego realizan cuatro pasantías de un año.
Swinburne University: Enfoque similar al de CSU, con proyectos de seis semanas patrocinados por la industria realizados en la universidad, operando como una empresa de ingeniería.
Iron Range Engineering: Los estudiantes trabajan en proyectos de empresa y reflexionan continuamente sobre su aprendizaje.
Estos ejemplos muestran cómo las instituciones combinan el aprendizaje basado en proyectos, el aprendizaje digital/en línea y el uso de portafolios para apoyar las trayectorias de aprendizaje personalizadas.
5. Perspectivas y conclusiones
La educación en ingeniería se dirige hacia un futuro en el que la combinación de trayectorias de aprendizaje personales, competencias profesionales y capacidad de abordar la complejidad será la tendencia dominante. Esto implica lo siguiente:
Currículos sistémicos: Es necesario un enfoque más sistémico y holístico en el diseño curricular, en lugar de modificaciones aisladas a nivel de curso. Los modelos tradicionales centrados en cursos individuales a menudo dejan la tarea de integrar el conocimiento al estudiante.
Aprendizaje para la complejidad: La educación debe preparar a los estudiantes para manejar problemas complejos, que requieren integrar conocimientos disciplinarios e interdisciplinarios, teoría y práctica, comprensión contextual y abstracta, y construcción de conocimiento individual y colaborativa.
Habilidades del Siglo XXI: La automatización de cálculos técnicos significa que los ingenieros futuros necesitarán comprender los requisitos sociales, ambientales y económicos de la tecnología y su aplicación.
Aprendizaje a lo largo de la vida: Los ingenieros serán cada vez más responsables de sus propias rutas de aprendizaje personales y necesitarán saber cómo construir su crecimiento individual dentro de comunidades de aprendizaje colaborativas. El acceso al conocimiento en línea (MOOCs) aumentará, pero la clave será cómo los estudiantes desarrollan competencias para el aprendizaje a lo largo de la vida, incluida la reflexión crítica y el pensamiento sistémico, normativo y anticipatorio.
En resumen, la educación en ingeniería debe evolucionar de un enfoque basado en la transmisión de conocimientos técnicos simples a otro que fomente la capacidad de los estudiantes para navegar y resolver problemas complejos, multidisciplinares y contextualizados, preparándolos para ser aprendices activos de por vida en un mundo en constante cambio.
Aprendizaje centrado en el estudiante: Un enfoque pedagógico en el que el estudiante se convierte en el centro del proceso de aprendizaje, con métodos como el aprendizaje activo, colaborativo, basado en problemas y proyectos, donde los estudiantes tienen una influencia significativa en la dirección de su aprendizaje.
Aprendizaje contextual y basado en la práctica: Un enfoque de aprendizaje que integra situaciones del mundo real y experiencias prácticas en el currículo, incluyendo pasantías, proyectos industriales y hubs de innovación, para conectar la teoría con la futura situación laboral.
Aula invertida (Flipped Classroom): Una metodología de aprendizaje semipresencial donde la instrucción directa se mueve de la clase a un espacio individual (generalmente en línea), y el tiempo en clase se transforma en un entorno de aprendizaje dinámico e interactivo donde el educador guía a los estudiantes a aplicar conceptos.
CDIO (Concebir, Diseñar, Implementar, Operar): Un marco curricular para la educación en ingeniería que enfatiza el desarrollo de habilidades profesionales y un enfoque holístico e integrado del currículo, desde la concepción de una idea hasta su operación.
Competencias profesionales: Conjunto de conocimientos, habilidades y aptitudes (tanto técnicas como genéricas, como la comunicación, el trabajo en equipo y la ética) que se espera que los ingenieros adquieran para desempeñarse eficazmente en el lugar de trabajo.
Complejidad (en el marco Cynefin): Un dominio de situaciones donde la relación causa-efecto solo puede discernirse en retrospectiva, y las soluciones emergen del sondeo y la experimentación. Se caracteriza por problemas «perversos» sin soluciones únicas o definitivas.
Complicado (en el marco Cynefin): Un dominio de situaciones que requieren experiencia y análisis para encontrar múltiples respuestas correctas, pero donde la relación causa-efecto es clara, aunque puede no ser obvia para todos. La resolución de problemas implica «sentir, analizar y responder».
Cuarta Revolución Industrial (Industria 4.0): Un término que describe la tendencia actual de automatización e intercambio de datos en las tecnologías de fabricación, incluyendo sistemas ciberfísicos, el Internet de las Cosas (IoT), la computación en la nube y la inteligencia artificial (IA).
Currículo sistémico/integral: Un enfoque de diseño curricular que coordina todos los elementos de un programa educativo a nivel de sistema, en lugar de centrarse solo en módulos o asignaturas individuales, buscando una progresión y coherencia holísticas en los resultados del aprendizaje.
Cynefin Framework: Un modelo conceptual creado por Dave Snowden que ayuda a la toma de decisiones al categorizar los problemas en diferentes dominios (simple, complicado, complejo, caótico y desorden) basados en la naturaleza de su relación causa-efecto.
Diseño centrado en el usuario (User Experience – UX): Se refiere a la experiencia general que tiene un usuario al interactuar con un producto o sistema. En ingeniería, implica diseñar soluciones que realmente satisfagan los requisitos del cliente, el usuario y la comunidad.
Diseño de sistemas (Systems Design): Un enfoque estructurado para el diseño de sistemas complejos que considera las interacciones entre los componentes y el entorno, y busca satisfacer un conjunto de requisitos funcionales y no funcionales.
Pensamiento de diseño (Design Thinking): Una metodología de resolución de problemas centrada en el ser humano que implica fases como empatizar, definir, idear, prototipar y probar, común en muchas disciplinas de diseño, incluida la ingeniería.
Emergencia: En el contexto de los entornos de aprendizaje, se refiere a cómo las estructuras, patrones y comportamientos de aprendizaje se vuelven visibles a través de las interacciones entre elementos más pequeños, como estudiantes y recursos, indicando posibles direcciones futuras en la educación.
Habilidades blandas/genéricas: Habilidades no técnicas pero igualmente importantes, como la comunicación, el trabajo en equipo, la ética, el pensamiento crítico y la resolución de problemas, que son aplicables en una amplia gama de contextos profesionales.
Internet de las Cosas (IoT): Una red de objetos físicos equipados con sensores, software y otras tecnologías que les permiten conectarse e intercambiar datos con otros dispositivos y sistemas a través de Internet.
PBL (Aprendizaje Basado en Problemas y Proyectos): Un enfoque pedagógico centrado en el estudiante donde los alumnos aprenden sobre un tema trabajando en un problema abierto o un proyecto complejo, desarrollando habilidades de resolución de problemas, trabajo en equipo e investigación.
Portafolio: Una colección de trabajos de los estudiantes que demuestra su aprendizaje, habilidades y crecimiento a lo largo del tiempo. En ingeniería, se utiliza para articular las trayectorias de aprendizaje individuales y las competencias profesionales a mentores y futuros empleadores.
Simple (en el marco Cynefin): Un dominio de situaciones donde la relación causa-efecto es obvia para todos, y las «mejores prácticas» pueden aplicarse. La resolución de problemas implica «sentir, categorizar y responder», como la aplicación de fórmulas fundamentales de ingeniería.
Sostenibilidad (ODS): La capacidad de satisfacer las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades. Los ODS (Objetivos de Desarrollo Sostenible) son una colección de 17 objetivos globales interconectados establecidos por las Naciones Unidas.
Sistemas (Pensamiento sistémico): La capacidad de comprender cómo los componentes de un sistema interactúan entre sí y con el entorno para producir un comportamiento determinado, en lugar de analizar los componentes de forma aislada.
Trayectorias de aprendizaje personalizadas: Rutas de aprendizaje adaptadas a las necesidades, intereses y aspiraciones profesionales individuales de los estudiantes, permitiéndoles configurar y documentar su propio desarrollo de competencias como parte de una estrategia de aprendizaje a lo largo de toda la vida.
El Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos organizó una jornada sobre Infraestructuras Resilientes al Clima el 4 de abril en el Auditorio Agustín de Betancourt. Estas jornadas tan interesantes se grabaron en un vídeo, que ahora os dejo.
El vídeo, titulado «Jornada sobre Infraestructuras Resilientes al Clima», es un recurso muy valioso que aborda la creciente necesidad de desarrollar infraestructuras que puedan resistir y adaptarse a los efectos del cambio climático.
Durante la jornada, se presentaron diferentes puntos de vista sobre cómo la ingeniería civil puede hacer frente a estos desafíos, resaltando la importancia de la resiliencia climática en la planificación y gestión de infraestructuras. Y ahora, vamos a echar un vistazo más de cerca a todo lo que se habló en la jornada.
1. Importancia de la resiliencia climática
La resiliencia climática se ha convertido en un concepto central en la planificación de infraestructuras, debido a la creciente vulnerabilidad de las comunidades ante eventos climáticos extremos.
Los impactos del cambio climático, tales como huracanes, inundaciones y sequías, han aumentado en frecuencia e intensidad. Estos fenómenos no solo afectan a las infraestructuras físicas, sino que también tienen repercusiones sociales y económicas significativas, que incluyen la pérdida de vidas, desplazamientos forzados y daños económicos.
A modo ilustrativo, en la jornada se expusieron ejemplos de comunidades que han adoptado soluciones resilientes, tales como sistemas de drenaje mejorados, infraestructura verde y edificaciones diseñadas para resistir eventos extremos. Estos ejemplos ponen de manifiesto los beneficios tangibles a largo plazo que conlleva la inversión en resiliencia.
2. Oportunidades profesionales en ingeniería civil
La jornada puso de manifiesto que la búsqueda de infraestructuras resilientes está generando nuevas oportunidades profesionales para los ingenieros civiles.
Se evidenció una demanda de especialistas debido a la necesidad imperante de adaptación al cambio climático, lo que ha generado una demanda de expertos en diversas áreas, tales como la gestión de recursos hídricos, la planificación urbana sostenible y la ingeniería de infraestructuras.
Se subrayó la relevancia de la educación continua y la formación especializada para que los profesionales puedan afrontar los desafíos emergentes en este campo. Los programas de capacitación y certificación en resiliencia climática son de vital importancia para la preparación de los ingenieros del futuro.
3. Retos normativos y de implementación
Uno de los asuntos más críticos que se ha planteado es la necesidad imperativa de adaptar las normativas vigentes para facilitar la implementación de infraestructuras resilientes.
Un número significativo de normativas vigentes no han sido concebidas para hacer frente a los riesgos asociados al cambio climático. Esta situación puede generar obstáculos para la implementación de soluciones innovadoras y efectivas.
En este sentido, se destacó la importancia de la colaboración interdisciplinaria entre ingenieros, urbanistas, arquitectos y responsables políticos. Un enfoque interdisciplinario puede ayudar a crear un marco normativo que apoye la resiliencia y facilite la implementación de proyectos.
Finalmente, se presentan ejemplos de mejores prácticas de otras regiones que han logrado adaptar sus normativas con éxito, lo que puede servir de modelo para otras comunidades.
4. Ingeniería humanitaria y adaptación a emergencias
En las jornadas también se subrayó el rol de la ingeniería humanitaria en el desarrollo de infraestructuras resilientes.
En lo que respecta a los denominados «Proyectos de respuesta rápida», se debatieron enfoques para el diseño de infraestructuras que puedan ser implantadas con celeridad en situaciones de emergencia, garantizando que las comunidades afectadas tengan acceso a servicios básicos de manera inmediata.
Por último, se abordó la importancia de la capacitación y los recursos, así como la formación de equipos de respuesta a emergencias y la disponibilidad de recursos adecuados, elementos esenciales para asegurar que las infraestructuras puedan soportar eventos extremos y facilitar la recuperación.
5. Educación y conciencia social
La jornada puso de manifiesto la importancia de la educación y la comunicación en la promoción de infraestructuras resilientes.
Es imperativo que la sociedad comprenda la relevancia de invertir en infraestructuras resilientes. En este sentido, la educación desempeña un papel crucial, ya que permite a las comunidades identificar los beneficios a largo plazo de tales inversiones.
Se propusieron programas de sensibilización que involucren a la comunidad en la planificación y diseño de infraestructuras, fomentando un sentido de propiedad y responsabilidad.
6. Financiación de infraestructuras resilientes
La financiación constituye uno de los desafíos más significativos en el desarrollo de infraestructuras resilientes.
En lo que respecta a las fuentes de financiación, se presentan diversas estrategias para asegurar fondos, tales como la colaboración entre los sectores público y privado, así como la búsqueda de fondos internacionales destinados a proyectos de adaptación y mitigación del cambio climático.
También se presentaron ejemplos de modelos de inversión exitosos que han permitido financiar proyectos de infraestructura resiliente, destacando la importancia de demostrar el retorno de inversión a largo plazo.
7. Implementación de directivas y normativas en España
La jornada abordó la implantación de la directiva de gestión de avenidas en España, cuyo objetivo es el de mejorar la preparación y respuesta ante inundaciones.
Se abordó la cuestión de las dificultades que enfrentan las autoridades para aplicar estas directivas de manera efectiva, así como las adaptaciones necesarias para enfrentar fenómenos climáticos inesperados.
Finalmente, se presentaron las lecciones aprendidas de la implantación de estas directivas, así como recomendaciones para mejorar la efectividad de las políticas existentes.
8. Innovaciones tecnológicas y soluciones sostenibles
La jornada destacó la importancia de la tecnología en el desarrollo de infraestructuras resilientes. También se abordó el tema de tecnologías emergentes, tales como la inteligencia artificial y el modelado predictivo, que tienen el potencial de ayudar a anticipar y gestionar los riesgos climáticos.
En lo que respecta a la Infraestructura Verde, se expusieron soluciones basadas en la integración de la naturaleza, como los techos verdes y los sistemas de drenaje sostenible, que se presentan como una estrategia eficaz para aumentar la resiliencia de las infraestructuras.
9. Perspectivas futuras y llamado a la acción
La jornada concluyó con una exhortación a la acción dirigida a todos los profesionales implicados en la planificación y gestión de infraestructuras.
Se hizo especial hincapié en que la responsabilidad de hacer frente al cambio climático es compartida y requiere la colaboración de todos los sectores de la sociedad.
Asimismo, se instó a los profesionales a adoptar una visión a largo plazo en la planificación de infraestructuras, contemplando no solo las necesidades actuales, sino también los desafíos futuros que plantea el cambio climático.
Conclusión
La jornada sobre infraestructuras resilientes al clima constituye un llamamiento a la acción dirigido a los profesionales de la ingeniería civil y otros actores implicados en la planificación y gestión de infraestructuras. La adaptación al cambio climático no solo es una responsabilidad, sino una oportunidad para innovar y crear un futuro más seguro y sostenible. Para ello, resulta imprescindible la colaboración, la educación y la inversión, que son pilares fundamentales para lograr infraestructuras que no solo resistan los desafíos actuales, sino que también estén preparadas para los retos del futuro. Este enfoque integral resulta imperativo para asegurar que las comunidades no solo sobrevivan, sino que prosperen en un mundo cada vez más afectado por el cambio climático.
Aquí tenéis un mapa conceptual de la jornada.
Pero creo que lo mejor es que, si tenéis un rato, oigáis de primera mano todas y cada una de las intervenciones en este vídeo. Espero que os sea de interés.
Glosario de términos clave
Adaptación al Cambio Climático: Proceso de ajuste a los impactos actuales o esperados del cambio climático. En el contexto de las infraestructuras, implica modificar su diseño, construcción y operación para soportar condiciones climáticas extremas.
Resiliencia (Climática): Capacidad de un sistema, comunidad o infraestructura para anticipar, resistir, adaptarse y recuperarse de eventos adversos del clima.
Dana (Depresión Aislada en Niveles Altos): Fenómeno meteorológico que puede causar lluvias torrenciales e inundaciones severas, mencionado en el texto como causa de trágicas consecuencias.
Niveles Preindustriales: Periodo de referencia (antes de la Revolución Industrial) utilizado para medir el aumento de la temperatura global debido a las actividades humanas.
Fenómenos Meteorológicos Extremos: Eventos climáticos de intensidad inusual, como olas de calor, sequías, inundaciones torrenciales y tormentas severas.
Infraestructuras Críticas: Infraestructuras esenciales para el funcionamiento de la sociedad y la economía, como las de transporte, energía, agua y telecomunicaciones, cuya afectación tiene consecuencias significativas.
Plan Nacional de Adaptación al Cambio Climático (PNACC): Marco de acción en España para integrar el cambio climático en la planificación sectorial, incluyendo las infraestructuras.
Ley de Cambio Climático y Transición Energética (2021): Ley española que establece objetivos de reducción de emisiones y promueve la adaptación al cambio climático en diversos sectores.
Directiva de Resiliencia de Infraestructuras Críticas: Normativa de la Unión Europea que obliga a los Estados miembros a adoptar estrategias para mejorar la resiliencia de sus infraestructuras esenciales.
Seopán: Asociación de Empresas Constructoras y Concesionarias de Infraestructuras, mencionada por su análisis de inversión en infraestructuras prioritarias.
CEDEX (Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas): Organismo técnico español que realiza estudios y análisis relacionados con la ingeniería civil y el medio ambiente.
Cuencas Hidráulicas: Áreas geográficas donde el agua drena hacia un río principal, mencionadas en relación con la planificación hidrológica y la gestión de inundaciones.
Soluciones Basadas en la Naturaleza: Enfoques para abordar los desafíos ambientales que utilizan o imitan procesos naturales para proporcionar beneficios tanto para el medio ambiente como para la sociedad.
Sistemas de Saneamiento: Infraestructuras urbanas destinadas a la recogida y tratamiento de aguas residuales y pluviales.
Vías Separativas: Sistemas de saneamiento en los que las aguas residuales y las aguas pluviales se recogen y transportan por redes de tuberías separadas.
Resiliencia Estructural: Capacidad de una estructura para mantener su función y recuperarse después de ser sometida a eventos extremos o perturbaciones.
Robustez: Capacidad de una infraestructura o sistema para resistir un evento adverso sin una pérdida significativa de funcionalidad.
Rapidez (en Resiliencia): Velocidad con la que un sistema o infraestructura puede recuperarse y restaurar su funcionalidad después de una perturbación.
Análisis de Riesgos Climáticos: Evaluación de la probabilidad e impacto potencial de los eventos climáticos adversos sobre las infraestructuras.
Marco de Sendai para la Reducción del Riesgo de Desastres (2015-2030): Acuerdo internacional que establece un marco global para la reducción del riesgo de desastres, incluyendo la importancia de invertir en resiliencia.
Predicción y Modelos Predictivos: Uso de datos y herramientas para anticipar futuros eventos climáticos y sus posibles impactos.
Incertidumbre Profunda: Situación en la que hay una falta de conocimiento sobre las probabilidades o los posibles resultados de un evento.
Cisne Negro (Teoría): Término utilizado para describir eventos altamente improbables, de gran impacto y que solo se pueden explicar o predecir en retrospectiva.
Disponibilidad: Capacidad de una infraestructura para estar operativa y proporcionar su servicio.
Capacidad (en Infraestructura): Volumen o nivel de servicio que una infraestructura puede soportar o manejar.
Vulnerabilidad: Susceptibilidad de una infraestructura a sufrir daños o perder funcionalidad debido a un evento climático adverso.
Exposición: Grado en que una infraestructura está situada en un área propensa a eventos climáticos adversos.
Sensibilidad: Grado en que una infraestructura se ve afectada por un evento climático adverso una vez expuesta a él.
Escenarios de Cambio Climático: Proyecciones de posibles futuras condiciones climáticas basadas en diferentes supuestos sobre las emisiones de gases de efecto invernadero.
Trayectorias Socioeconómicas Compartidas (SSP): Marcos utilizados en la investigación del cambio climático para describir posibles futuros socioeconómicos y sus implicaciones para las emisiones y la adaptación.
Análisis Coste-Beneficio: Método para evaluar la rentabilidad de diferentes opciones de inversión, comparando los costos y beneficios esperados.
Gobernanza: Procesos y estructuras para tomar decisiones e implementar acciones, en este contexto, relacionadas con la resiliencia de las infraestructuras.
Inventario de Activos: Base de datos que contiene información detallada sobre las infraestructuras y sus componentes.
Sistemas de Ayuda a la Decisión: Herramientas informáticas y modelos que asisten en la toma de decisiones complejas, como la gestión de inundaciones o sequías.
Llanuras de Inundación Controlada: Áreas designadas para ser inundadas de manera planificada durante eventos de crecida para reducir el riesgo en otras zonas.
Probable Maximum Flood (PMF) / Avenida Máxima Probable: Estimación del evento de inundación más severo que es razonablemente posible en un lugar dado.
Flash Floods / Crecidas Repentinas: Inundaciones rápidas y violentas que ocurren con poca o ninguna advertencia, a menudo causadas por lluvias torrenciales intensas.
Six Sigma: Metodología de gestión de procesos que busca reducir al mínimo la probabilidad de defectos o errores.
Poka-yoke: Sistemas a prueba de errores diseñados para prevenir o detectar errores humanos.
Consorcio Administrativo: Entidad legal formada por varias administraciones públicas para coordinar y ejecutar acciones conjuntas.
Gemelos Digitales: Réplicas virtuales de sistemas o infraestructuras físicas que permiten la simulación y el análisis.
Big Data: Conjuntos de datos muy grandes y complejos que pueden ser analizados para revelar patrones y tendencias.
Ingeniería Humanitaria: Aplicación de principios y habilidades de ingeniería para abordar crisis humanitarias y promover el bienestar humano.
Estacionariedad Climática: Suposición de que las propiedades estadísticas del clima (como las distribuciones de precipitación o temperatura) permanecen constantes a lo largo del tiempo.
Análisis Probabilístico: Enfoque para evaluar la probabilidad de ocurrencia de eventos y sus posibles consecuencias.
Métodos Semiprobalísticos: Métodos de diseño estructural que utilizan factores de seguridad parciales basados en consideraciones probabilísticas.
Trayectorias Adaptativas: Secuencias de medidas de adaptación que se pueden implementar a lo largo del tiempo para hacer frente a los impactos cambiantes del cambio climático.
KPIs Financieros (Indicadores Clave de Rendimiento Financiero): Métricas utilizadas para evaluar el desempeño financiero, que pueden incorporarse en el análisis de la resiliencia de las infraestructuras.
Os anuncio mi participación como ponente en la jornada inaugural del curso «Infraestructuras resilientes al clima», que se celebrará el 4 de abril de 2025, de forma presencial y telemática. Se celebrará a las 10:30 h en el Auditorio Agustín de Betancourt de la institución. Este curso está organizado por el Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos y está patrocinado por FCC Construcción y el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico.
Durante este acto, de acceso libre, los directores del curso presentarán los contenidos que se abordarán a lo largo de las diversas sesiones formativas. Además, se debatirán los riesgos de las infraestructuras frente al cambio climático, así como las estrategias y medidas de resiliencia que pueden adoptarse.
Esta formación, organizada por el Comité Técnico de Agua, Energía y Cambio Climático del Colegio, tiene como objetivo analizar el impacto del cambio climático y explorar enfoques que faciliten la planificación, diseño, construcción y operación de infraestructuras resilientes al clima.
Os paso mi participación en este vídeo. Espero que os sea de interés.
DANA OCTUBRE 2024 – Vías del Metro entre Picanya y Paiporta. https://commons.wikimedia.org/
El diseño y la planificación de infraestructuras se han basado históricamente en el análisis de datos climáticos pasados para definir criterios estructurales de seguridad. Sin embargo, la aceleración del cambio climático ha puesto en cuestión la validez de esta metodología y ha obligado a reconsiderar los fundamentos sobre los que se establecen los códigos de construcción y las normativas de diseño. El carácter no estacionario del clima, la creciente magnitud de los eventos meteorológicos extremos y la necesidad de infraestructuras más resilientes han convertido la adaptación al cambio climático en un imperativo técnico y social.
Las estructuras deben garantizar la seguridad de sus ocupantes en condiciones tanto ordinarias como extremas, así como su funcionalidad a lo largo de su ciclo de vida. Es preciso tener en cuenta que la frecuencia y severidad de ciertos fenómenos, como tormentas, inundaciones y variaciones térmicas, ya no pueden preverse con precisión únicamente mediante datos históricos. La integración de modelos de análisis probabilístico y enfoques basados en la fiabilidad estructural representa una vía fundamental para mitigar los riesgos asociados al cambio climático y asegurar la estabilidad y operatividad de infraestructuras críticas en el futuro.
El fin de la estacionariedad climática y sus implicaciones en el diseño estructural
El diseño estructural se ha desarrollado bajo la premisa de que las condiciones climáticas permanecen relativamente estables a lo largo del tiempo, lo que ha permitido definir cargas normativas basadas en registros históricos. No obstante, el cambio climático ha invalidado esta hipótesis al introducir una variabilidad que altera tanto la frecuencia como la intensidad de los fenómenos atmosféricos y compromete la fiabilidad de los métodos de predicción empleados en el ámbito de la ingeniería.
Las estructuras diseñadas bajo códigos convencionales pueden experimentar cargas superiores a las previstas en su diseño original, lo que resulta en un aumento del riesgo estructural y la necesidad de reevaluaciones constantes para garantizar su seguridad. La acumulación de efectos derivados de condiciones climáticas extremas no solo afecta a la estabilidad estructural inmediata, sino que acelera los procesos de deterioro de los materiales y compromete la capacidad de servicio de la infraestructura a largo plazo.
El análisis de la no estacionariedad climática requiere el desarrollo de nuevas herramientas de modelado que permitan proyectar escenarios de carga climática futura con mayor precisión. La variabilidad espacial y temporal de las alteraciones climáticas obliga a establecer criterios de diseño diferenciados según la localización geográfica, la exposición a determinados fenómenos y la importancia funcional de cada infraestructura. En este contexto, la colaboración entre científicos del clima e ingenieros estructurales se erige como un componente esencial para la elaboración de mapas de cargas dinámicos que reflejen las condiciones cambiantes del entorno.
Aumento de cargas climáticas y su impacto en la estabilidad estructural
El cambio climático incide directamente en la magnitud y distribución de las cargas climáticas, lo que supone un desafío significativo para el diseño estructural. El incremento de la temperatura media global y la intensificación de eventos meteorológicos extremos tienen un impacto directo en la resistencia y durabilidad de los materiales de construcción, lo que requiere una revisión exhaustiva de los criterios de diseño para adaptarlos a condiciones más exigentes.
El aumento de la carga de viento, debido a la mayor frecuencia de tormentas severas y huracanes, plantea desafíos particulares para estructuras expuestas a esfuerzos aerodinámicos, tales como rascacielos, puentes y torres de telecomunicaciones. La variabilidad en la dirección y velocidad de los vientos extremos introduce incertidumbre en el diseño convencional, lo que requiere la aplicación de metodologías de análisis probabilístico que permitan anticipar los efectos acumulativos de estas fuerzas sobre los elementos estructurales.
Ciertamente, la carga de nieve y hielo constituye un factor de riesgo cuya evolución en un clima cambiante requiere especial atención. En climas fríos, la combinación de precipitaciones extremas y ciclos de congelación y deshielo genera esfuerzos adicionales sobre cubiertas y soportes, lo que puede ocasionar la fatiga de los materiales y aumentar el riesgo de fallos estructurales. La acumulación de hielo en líneas de transmisión eléctrica y otros elementos de infraestructura crítica puede comprometer su funcionalidad, lo que resalta la necesidad imperante de implementar estrategias de adaptación en el diseño de dichos sistemas.
El aumento del nivel del mar y la intensificación de tormentas costeras representan amenazas crecientes para las infraestructuras situadas en zonas litorales. La erosión del suelo y la intrusión salina pueden afectar la estabilidad de las cimentaciones y las estructuras de contención, mientras que el aumento en la magnitud de las marejadas ciclónicas aumenta el riesgo de colapso en las edificaciones expuestas. Por lo tanto, es esencial adoptar enfoques probabilísticos para estimar las cargas de inundación y considerar criterios de adaptación costera en el diseño estructural, con el fin de mitigar estos efectos y garantizar la seguridad y estabilidad de las infraestructuras en zonas litorales.
Resiliencia estructural y continuidad operativa en escenarios de riesgo creciente
En lo que respecta a la resistencia inmediata de las infraestructuras a eventos climáticos extremos, su capacidad de recuperación y continuidad operativa tras un desastre constituye un aspecto de suma importancia en el contexto del cambio climático. La resiliencia estructural implica no solo garantizar que las edificaciones y redes de transporte soporten cargas excepcionales sin fallar, sino también que puedan volver a estar plenamente operativas en un tiempo razonable tras una interrupción.
La planificación de infraestructuras resilientes requiere un enfoque basado en la funcionalidad tras el desastre, estableciendo criterios de diseño que permitan minimizar los tiempos de inactividad y optimizar los procesos de reparación y reconstrucción. Este enfoque cobra especial relevancia en infraestructuras críticas, tales como hospitales, plantas de tratamiento de agua y redes de energía, cuya operatividad continua resulta esencial para la estabilidad de las comunidades.
El diseño basado en rendimiento (Performance-Based Design, PBD) surge como una herramienta clave para integrar la resiliencia en la ingeniería estructural. A diferencia de los enfoques convencionales basados en requisitos normativos predeterminados, el PBD permite establecer objetivos concretos de rendimiento para cada tipo de estructura, considerando tanto su resistencia ante cargas extremas como su capacidad de recuperación tras eventos disruptivos.
Conclusión: La adaptación de las infraestructuras al cambio climático como una necesidad inaplazable
La evidencia científica sobre el impacto del cambio climático en la infraestructura es concluyente y requiere una revisión exhaustiva de los criterios de diseño estructural. La dependencia exclusiva de datos históricos ya no constituye una estrategia viable en un contexto donde la frecuencia e intensidad de eventos extremos están en constante aumento. Por ello, es necesario implementar análisis probabilísticos, actualizar periódicamente los mapas de cargas climáticas y adoptar estrategias de resiliencia estructural. Estos cambios son fundamentales para garantizar la seguridad y funcionalidad de las infraestructuras en el futuro.
La ingeniería estructural debe evolucionar hacia un enfoque basado en la adaptación y la gestión del riesgo, integrando modelos de predicción climática en el diseño y planificación de nuevas construcciones. La colaboración entre ingenieros, científicos del clima y responsables de políticas públicas será esencial para desarrollar normativas que reflejen la realidad cambiante del entorno y permitan la creación de infraestructuras más seguras y sostenibles.
La adaptación al cambio climático no es únicamente una cuestión técnica, sino una necesidad económica y social que determinará la capacidad de las comunidades para hacer frente a los desafíos del siglo XXI. El diseño estructural del futuro debe asumir este reto con un enfoque proactivo, asegurando que las infraestructuras no solo resistan el clima cambiante, sino que también contribuyan a la estabilidad y el bienestar de la sociedad en su conjunto.
Referencias:
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O’Neill, B., van Aalst, M., Zaiton Ibrahim, Z., Berrang Ford, L., Bhadwal, S., Buhaug, H., Diaz, D., Frieler, K., Garschagen, M., Magnan, A., Midgley, G., Mirzabaev, A., Thomas, A., & Warren, R. (2022). Key risks across sectors and regions. In H.-O. Pörtner, D. C. Roberts, M. Tignor, E. S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, & B. Rama (Eds.), Climate change 2022: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (pp. 2411–2538). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009325844.025
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Vogel, J., Carney, K. M., Smith, J. B., Herrick, C., et al. (2016). Climate adaptation: The state of practice in US communities. The Kresge Foundation and Abt Associates.
Imagen del desastre provocado por la DANA. Imagen: V.J. Yepes (10 de noviembre de 2024)
Las catástrofes naturales y humanas han acompañado a la civilización a lo largo de su historia, poniendo a prueba su capacidad de adaptación. Sin embargo, la forma en que se afronta la reconstrucción tras un desastre no puede limitarse a la reposición de lo perdido. El caso de las recientes inundaciones en Valencia el 29 de octubre de 2024 ilustra una realidad que se repite con cada evento extremo: la urgencia de reconstruir suele imponerse a la necesidad de reflexionar. No obstante, si la ingeniería de la reconstrucción se reduce a restablecer el estado previo a la catástrofe, se estaría desperdiciando una oportunidad para corregir vulnerabilidades y minimizar futuros daños.
El primer desafío tras un desastre es la respuesta inmediata. En esta fase, la prioridad es el rescate de personas y la provisión de recursos esenciales. Una vez atendidas estas necesidades básicas, la atención se centra en la recuperación de infraestructuras críticas, como hospitales, redes de agua potable, suministro eléctrico y comunicaciones. Este proceso es complejo, ya que estas infraestructuras no solo deben ponerse en funcionamiento lo antes posible, sino que, en muchos casos, han sufrido daños estructurales que comprometen su funcionalidad.
A partir de este punto surge la cuestión clave: ¿debe la reconstrucción reproducir las mismas condiciones previas a la catástrofe? Desde el punto de vista técnico y económico, esta estrategia es cuestionable. Si las infraestructuras y edificaciones han fallado ante un fenómeno extremo, replicarlas sin modificaciones implica asumir que volverán a fallar en el futuro. En el caso concreto de Valencia, se ha observado que algunos puentes obstaculizaron el flujo del agua y los sedimentos, generando represas que agravaron la crecida. Este problema no es nuevo; estructuras similares han provocado efectos equivalentes en inundaciones anteriores y, sin embargo, su diseño se sigue repitiendo. Por tanto, es necesario un enfoque distinto que incorpore criterios de resiliencia y sostenibilidad en la reconstrucción. En el caso de los puentes, esto podría traducirse en reducir el número de apoyos en el cauce, cimentaciones más profundas para reducir su vulnerabilidad a la erosión y revisar los coeficientes de empuje hidráulico en los cálculos estructurales.
El reto no solo consiste en corregir errores del pasado, sino también en prepararse para escenarios futuros más complejos. El cambio climático está alterando la frecuencia e intensidad de los eventos extremos, lo que obliga a replantear tanto la planificación territorial como la normativa vigente. Lo que antes se consideraba un fenómeno extraordinario puede convertirse en una amenaza recurrente, por lo que es necesario aplicar criterios de diseño más exigentes y estrategias de mitigación más ambiciosas. No se trata únicamente de reforzar las infraestructuras, sino de adaptar las ciudades y las redes de transporte a una realidad en la que las precipitaciones intensas, las sequías prolongadas y el aumento del nivel del mar serán cada vez más frecuentes. La planificación basada en registros históricos ya no es suficiente; la ingeniería debe integrar modelos predictivos y diseñar soluciones flexibles y adaptativas.
Sin embargo, en la reconstrucción tras una catástrofe suele predominar un enfoque táctico, con decisiones orientadas a mostrar una respuesta inmediata a la ciudadanía. La rapidez en la ejecución de ciertas obras genera la percepción de una gestión eficaz, pero este proceder puede ocultar la ausencia de una estrategia que optimice las actuaciones a largo plazo. Si bien es imprescindible contar con equipos de intervención inmediata para hacer frente a la emergencia, también es esencial disponer de un equipo de reflexión que establezca directrices fundamentadas y evite reconstrucciones apresuradas que perpetúen los mismos errores. Algo así como un «ministerio del pensamiento» que sea capaz de analizar las lecciones aprendidas y convertirlas en políticas y proyectos de reconstrucción con criterios sólidos de sostenibilidad y resiliencia.
Esta misma lógica se aplica a la planificación territorial y urbana. Rehabilitar zonas inundables sin considerar estrategias de mitigación perpetúa la exposición al riesgo. En este sentido, la ingeniería tiene el deber de plantear soluciones basadas en evidencia científica y en experiencias previas. La adaptación a eventos extremos no solo implica reforzar estructuras, sino también reconsiderar su localización y función. En muchos casos, las medidas no requieren inversiones desmesuradas, sino una gestión más eficiente del territorio. La creación de zonas de amortiguamiento, la mejora en la capacidad de drenaje y la regulación del uso del suelo son estrategias que pueden marcar la diferencia en futuras catástrofes.
Además, la sostenibilidad a largo plazo implica tener en cuenta a las personas en la ecuación que gobierna los impactos de las actuaciones. No basta con evaluar los efectos sobre las infraestructuras o el medio ambiente, sino que es necesario considerar cómo influyen estas decisiones en la calidad de vida de las personas que habitan los territorios afectados. La reconstrucción debe ir más allá de la restitución de bienes materiales y tener en cuenta también aspectos sociales, económicos y psicológicos. Por ejemplo, esto implicaría reubicar comunidades en zonas seguras, garantizar el acceso equitativo a los servicios básicos y minimizar el impacto de las obras sobre la población más vulnerable. Si la ingeniería no tiene en cuenta estos factores, existe el riesgo de generar soluciones técnicamente eficientes, pero socialmente insostenibles.
Uno de los mayores obstáculos en estos procesos es la fragmentación de competencias. La reconstrucción implica a múltiples actores, desde administraciones locales hasta organismos estatales e internacionales. En muchas ocasiones, la superposición de responsabilidades y la falta de coordinación provocan retrasos y contradicciones en la toma de decisiones. Para evitar este problema, una alternativa viable sería la creación de un consorcio específico encargado de gestionar la reconstrucción, en el que las distintas administraciones deleguen temporalmente parte de sus competencias. Este modelo permitiría una planificación más coherente y una ejecución de proyectos con criterios unificados, lo que evitaría la dispersión de recursos y la toma de decisiones inconexas.
La reconstrucción no es solo un proceso técnico, sino también una oportunidad para transformar el entorno de manera más racional y sostenible. Es indispensable actuar con rapidez, pero no se debe hacer a costa de repetir errores del pasado. La ingeniería, como disciplina, no puede limitarse a solucionar problemas inmediatos, sino que debe anticiparse a los riesgos futuros y ofrecer respuestas fundamentadas en el conocimiento acumulado. Una reconstrucción bien planificada no solo restituye lo destruido, sino que contribuye a construir una sociedad más segura y preparada para afrontar los desafíos futuros.
En los artículos de este blog sobre resiliencia y cambio climático que estoy escribiendo, me centraré en los aspectos relacionados con la resiliencia comunitaria.
Acontecimientos como las inundaciones catastróficas ocurridas en la provincia de Valencia el 29 de noviembre de 2024 ponen de manifiesto la importancia de estas ideas.
Estas reflexiones se enmarcan dentro del proyecto RESILIFE que desarrollo en la actualidad como investigador principal, y se han basado en algunas ideas desarrolladas en el trabajo reciente de Ellingwood et al. (2024).
Este artículo trata sobre la resiliencia comunitaria y cómo incorporar los efectos del cambio climático en la planificación y diseño de edificios e infraestructuras a nivel comunitario. Se discuten los desafíos y consideraciones clave para lograr una mayor resiliencia de las comunidades frente a eventos climáticos extremos.
La resiliencia comunitaria es la capacidad para adaptarse a las situaciones adversas, adaptarse a condiciones cambiantes y mantener sus funciones e infraestructuras fundamentales, así como recuperarse rápidamente ante eventos extremos. En este contexto, «comunidad» se refiere a un lugar delimitado por fronteras geográficas que opera bajo la jurisdicción de una estructura de gobernanza, como una ciudad, área metropolitana o región. Es dentro de esta gobernanza local donde se identifican, aprueban, financian y ponen en marcha las decisiones, acciones y proyectos relacionados con la resiliencia. Este concepto subraya la importancia de guiar los procesos adaptativos dentro de la comunidad para preservar su identidad básica y permitir los cambios necesarios con el tiempo. La identidad de una comunidad la forman los valores y prioridades de sus miembros, por lo que los esfuerzos para aumentar la resiliencia deben implicarles en la definición de lo que valoran colectivamente y lo que pretenden proteger (Ellingwood et al., 2024).
Las repercusiones económicas del cambio climático varían mucho, con beneficios potenciales en las regiones templadas a niveles más bajos de calentamiento, pero con pérdidas crecientes a medida que aumentan las temperaturas. Los hogares y los países más pobres pueden experimentar efectos desproporcionados sobre su bienestar, aun cuando sus contribuciones económicas sean menos significativas. Las respuestas de adaptación efectivas, como el desarrollo de infraestructuras resilientes y tecnologías climáticamente inteligentes, pueden ayudar a mitigar estos impactos y mejorar la resiliencia de las comunidades (O’Neill et al., 2022).
El éxito de la resiliencia comunitaria no solo se centra en la recuperación de eventos relacionados con el cambio climático, sino que también abarca una variedad más amplia de retos, incluidos los sociales y económicos. Este concepto influye en las decisiones relativas al entorno construido, que abarca desde instalaciones individuales hasta sistemas de infraestructura regional. Para que la planificación de la resiliencia sea efectiva, es crucial incluir diversas perspectivas de las partes interesadas y comprender los sistemas sociales, políticos y económicos de la comunidad, así como sus vulnerabilidades inherentes (Eisenhauer et al., 2024). El entorno construido abarca todos los sistemas diseñados en una comunidad o región, como edificios, instalaciones y redes de infraestructura. Aunque muchas viviendas unifamiliares no son diseñadas por ingenieros, deben tenerse en cuenta en la evaluación de la resiliencia comunitaria. Este enfoque integrado permite identificar los objetivos de rendimiento de los edificios e infraestructuras y garantizar que las estrategias de resiliencia se adapten a las necesidades específicas de la comunidad.
Para lograr resiliencia a nivel comunitario, los edificios y sistemas de infraestructura deben cumplir los criterios de resiliencia establecidos a nivel local. Esta interdependencia entre escalas diferentes de resiliencia conecta la planificación regional con el diseño de infraestructuras individuales. Para que las instalaciones y los sistemas den un paso adelante y alcancen un desempeño resiliente, es necesario ir más allá de los requisitos de códigos y normas actuales, que se centran principalmente en la seguridad de las personas y en limitar el fallo estructural, especialmente en la recuperación de la funcionalidad. Los edificios e infraestructuras proporcionan refugio, servicios básicos y otros recursos, como escuelas y hospitales, y respaldan instituciones sociales y económicas esenciales para el bienestar de la comunidad.
Para desarrollar planes sólidos de resiliencia comunitaria, es fundamental involucrar a las partes interesadas. Una oficina dedicada a la resiliencia puede garantizar un liderazgo firme y un compromiso coherente entre los agentes locales. Es crucial comprender la identidad y los recursos únicos de la comunidad, así como fomentar la participación de los líderes sociales (Eisenhauer et al., 2024). Incluir las voces de todos los miembros de la comunidad en el proceso de planificación hace que los esfuerzos de resiliencia sean más equitativos y eficaces.
La resiliencia comunitaria se enfrenta a diversas limitaciones que deben abordarse para mejorar su capacidad de adaptación. Entre estas dificultades se encuentran las barreras económicas, los factores sociales y culturales, las limitaciones de capacidad humana, los problemas de gobernanza, los recursos financieros, la accesibilidad a la información, los obstáculos físicos y las influencias climáticas (O’Neill et al., 2022). Reconocer y superar estas limitaciones es fundamental para que las comunidades desarrollen su capacidad de adaptación ante amenazas actuales y emergentes.
Los sectores vulnerables dentro de las comunidades suelen verse afectados de manera desproporcionada por los peligros derivados del cambio climático, como las inundaciones, debido a políticas de uso del suelo, desventajas económicas y otros factores demográficos, como la raza/etnia, el género y la edad. Por lo tanto, los objetivos de resiliencia pueden variar de una comunidad a otra debido a diferencias en las características sociodemográficas, la edad y el estado de los edificios e infraestructuras, así como a los enfoques adoptados para abordar la equidad en los objetivos de resiliencia.
El cambio climático no solo afecta a los medios de subsistencia físicos, sino que también amenaza las estructuras sociales y las prácticas culturales. La erosión del capital social, exacerbada por la degradación de los recursos y la competencia, puede provocar un aumento de la tensión en el seno de las comunidades y entre ellas, lo que puede dar lugar a conflictos y migraciones forzosas. Los grupos vulnerables, como las personas mayores y con discapacidad, se ven afectados de forma desproporcionada por estos cambios, lo que subraya la necesidad de estrategias de adaptación específicas (IPCC, 1997) .
Consideraciones de proyecto para la resiliencia y los impactos climáticos
La consideración de eventos climáticos extremos futuros (como huracanes, olas de calor y precipitaciones intensas) está cobrando una importancia cada vez mayor para las comunidades. Aunque actualmente no se tienen en cuenta en los códigos o normas de construcción, muchas comunidades locales exigen que los efectos climáticos se integren en los proyectos. (Vogel et al., 2016). Además, el cambio climático puede agravar los impactos de los eventos de peligro extremo con el tiempo, no solo al modificar las cargas sobre las estructuras, sino también al afectar a su capacidad debido a procesos de envejecimiento y deterioro. Por ello, es fundamental tener en cuenta la resiliencia y los problemas climáticos en la planificación comunitaria, especialmente en el diseño de edificios e infraestructuras civiles.
El impacto de eventos extremos compuestos (como un tsunami posterior a un terremoto, o marejadas ciclónicas e inundaciones fluviales tras vientos de huracán) también puede intensificarse debido a los efectos climáticos (Bruneau et al., 2017). Actualmente, existe una falta de guías o herramientas suficientes para considerar estos eventos compuestos y su impacto en el entorno construido. Además de predecir peligros futuros, la no estacionariedad de los efectos climáticos en los eventos de peligro requerirá nuevos enfoques para abordar y comunicar la incertidumbre (Cooke, 2015).
El concepto de resiliencia se basa en la funcionalidad, que puede medirse a nivel de edificios, sistemas de infraestructura o comunidades. Por ello, los análisis de resiliencia deben adaptarse a la escala evaluada y utilizar métodos claros para agregar y desagregar información entre diferentes escalas. Las múltiples escalas de análisis de resiliencia también tienen implicaciones para las proyecciones climáticas regionales, en las que pueden ser necesarias proyecciones correlacionadas en lugares específicos.
Los edificios y los sistemas de infraestructura civil se diseñan y mantienen según diversas regulaciones, códigos y mejores prácticas, cada uno con su propia base de diseño y fiabilidad para evaluar el rendimiento (McAllister et al., 2022). Cada sistema tiene distintos objetivos de rendimiento, como la seguridad en edificios frente a eventos poco frecuentes o la interrupción en los servicios de electricidad y agua ante eventos frecuentes. La falta de coordinación genera disparidades en el rendimiento del entorno construido ante un mismo evento de peligro, que aumentan aún más al considerar el desempeño en términos de recuperación. Aunque la fiabilidad mide si se logran los objetivos de rendimiento, se requieren métricas diferentes para evaluar la recuperación de la funcionalidad.
En algunos sistemas, la fase de recuperación se mide en horas (por ejemplo, en los sistemas de distribución eléctrica), mientras que en otros puede medirse en meses (por ejemplo, en la reparación de un puente o túnel dañado). Estas disparidades se identifican y abordan mejor con una evaluación a nivel comunitario que permita identificar las necesidades específicas de cada proyecto. Una herramienta comúnmente utilizada es la denominada tabla de resiliencia, introducida por primera vez en San Francisco (Poland, 2009). En estas tablas, la comunidad establece el tiempo deseado para alcanzar un conjunto de métricas de desempeño de diversas infraestructuras (por ejemplo, el 75 % de las carreteras funcionales en 3 meses). Estas metas se comparan con el tiempo de recuperación previsto, evaluado por expertos técnicos. Los sectores donde la discrepancia entre la recuperación deseada y la prevista es mayor son aquellos donde más se necesitan intervenciones.
Tabla 1. Plazos para los objetivos de reconstrucción en un seísmo (Poland, 2009).
Fase
Marco temporal
Condición del entorno construido
1
1 a 7 días
Respuesta inicial y preparación para la reconstrucción
Inmediato
El alcalde ha declarado una emergencia local y ha abierto el Centro de Operaciones de Emergencia. Los hospitales, las comisarías, los parques de bomberos y los centros de operaciones de los departamentos de la ciudad están operativos.
Dentro de 4 horas
Las personas que salgan o regresen a la ciudad para llegar a sus hogares pueden hacerlo
Dentro de 24 horas
Los trabajadores de respuesta a emergencias pueden activarse y sus operaciones están completamente operativas. Los hoteles designados para alojar a estos trabajadores son seguros y están operativos. Los refugios están abiertos. Todos los hogares ocupados son inspeccionados por sus ocupantes y menos del 5 % de las viviendas son consideradas inseguras para ser ocupadas. Los residentes se refugiarán en edificios con daños superficiales, aunque los servicios públicos no funcionen.
Dentro de 72 horas
El 90 % de los sistemas de servicios públicos (energía, agua, aguas residuales y comunicación) están operativos y prestan apoyo a las instalaciones de emergencia y a los vecindarios. Asimismo, el 90 % de las principales rutas de transporte, incluidos los cruces de la bahía y los aeropuertos, están abiertos al menos para la respuesta a emergencias. Los esfuerzos de recuperación inicial y reconstrucción se centrarán en reparar viviendas, escuelas y oficinas de proveedores médicos para que puedan utilizarse, además de restablecer los servicios públicos necesarios. Los servicios esenciales de la ciudad están completamente restablecidos.
Todos los sistemas de servicios públicos y las rutas de transporte que atienden a los vecindarios han recuperado el 95 % de los niveles de servicio previos al evento. El transporte público funciona al 90 % de su capacidad. Las escuelas públicas están abiertas y en funcionamiento. El 90 % de los negocios del barrio están abiertos y atendiendo a la fuerza laboral.
Dentro de 60 días
Los aeropuertos están operativos y se pueden utilizar con normalidad. El transporte público funciona al 95 % de su capacidad. Las rutas de transporte menores se están reparando y reabriendo.
3
Varios años
Reconstrucción a largo plazo
Dentro de 4 meses
Los refugios temporales se han cerrado. Todos los hogares desplazados han regresado a sus hogares o han sido reubicados de forma permanente. El 95 % de los servicios minoristas de la comunidad han reabierto. El 50 % de los negocios de apoyo que no forman parte de la fuerza laboral están reabiertos.
Dentro de 3 años
Todas las operaciones comerciales, incluidos todos los servicios de la ciudad que no estén relacionados con la respuesta a emergencias o la reconstrucción, se han restablecido a los niveles previos al seísmo.
Esta herramienta sencilla se utiliza para representar posibles efectos de los riesgos en un conjunto de escenarios posibles. Actualmente, estos se identifican para cada comunidad en función de los riesgos previstos y de las directrices disponibles. Los efectos del cambio climático pueden incorporarse seleccionando un conjunto de escenarios de eventos extremos que representen el clima futuro. Para avanzar en los análisis y resultados de resiliencia, es necesario un enfoque estandarizado para identificar estos escenarios de riesgo.
Los edificios, puentes y otras infraestructuras tienden a diseñarse para vidas útiles de entre 50 y 100 años. Sin embargo, muchos edificios e infraestructuras se utilizan más allá de su vida útil y su desempeño depende de rehabilitaciones, actualizaciones y mantenimiento. Por lo tanto, la vida útil de edificios, puentes y otras infraestructuras abarca un período en el que el clima puede cambiar sustancialmente, por lo que dichos sistemas se ven expuestos a condiciones y acciones climáticas diferentes a las especificadas en su proyecto. Esta misma consideración se aplica a las evaluaciones de resiliencia.
Todo el proceso de evaluación de la resiliencia comunitaria, desde la selección de peligros hasta la evaluación de escenarios y las evaluaciones cuantitativas del rendimiento, debe tener en cuenta la no estacionariedad de los efectos climáticos. Al evaluar el impacto del cambio climático en el diseño, el mantenimiento y la remodelación, la propiedad desempeña un papel crucial. Cuando los edificios e infraestructuras tienen el mismo propietario durante su vida útil, hay incentivos más fuertes para incluir consideraciones de resiliencia y cambio climático en la planificación y el mantenimiento. En cambio, los sistemas diseñados y mantenidos por diferentes entidades suelen cumplir solo con los requisitos mínimos, a menos que la demanda de resiliencia, consideraciones climáticas o mejoras que se puedan trasladar a los usuarios sea clara.
Las dependencias e interdependencias entre los sistemas de infraestructura de una comunidad requieren la coordinación de múltiples propietarios, lo que puede resultar difícil. Mejorar la resiliencia de un sistema frente a los efectos climáticos futuros puede ser menos efectivo de lo planeado si los propietarios o administradores de los sistemas de infraestructura interdependientes no realizan mejoras similares.
Desempeño funcional del entorno construido
Los objetivos de desempeño comunitario suelen expresarse como aspiraciones a largo plazo para la funcionalidad de los sistemas físicos, sociales y económicos. La incorporación del cambio climático en la funcionalidad a largo plazo de los sistemas comunitarios debe abordarse urgentemente. Los proyectistas necesitan objetivos cuantitativos de desempeño y criterios de diseño para evaluar instalaciones y sistemas individuales que puedan apoyar los objetivos comunitarios y hacer frente a la considerable incertidumbre asociada al cambio climático y a los eventos futuros.
Un entorno construido con un desempeño aceptable es necesario, pero no suficiente, para establecer la resiliencia comunitaria. Esta resiliencia abarca metas sociales y económicas, así como objetivos relacionados con los servicios físicos. Para vincular la respuesta de los sistemas de infraestructura a los objetivos de resiliencia, es fundamental cuantificar su rendimiento colectivo mediante métricas de funcionalidad y recuperación. Desarrollar métricas que respalden los objetivos sociales es crucial para abordar la resiliencia comunitaria a nivel nacional. A continuación, se muestran algunos ejemplos de metas y métricas de resiliencia comunitaria en la Tabla 2. Las métricas de resiliencia para los servicios de infraestructura son más relevantes para los ingenieros estructurales, pero el rendimiento resiliente del entorno construido también contribuye a los objetivos sociales y económicos. Por lo tanto, estos objetivos deben tenerse en cuenta al evaluar soluciones para el diseño, el mantenimiento o las mejoras estructurales.
Tabla 2. Ejemplos de metas de desempeño comunitario y métricas de resiliencia
Metas de rendimiento comunitario
Ejemplos de métricas de resiliencia
Estabilidad poblacional
Desplazamiento y migración; disponibilidad de viviendas.
Estabilidad económica
Cambio en el empleo, impuestos e ingresos (recursos), presupuesto comunitario (necesidades).
Estabilidad de servicios sociales
Acceso a atención médica, educación, comercio minorista, banca.
Acceso a protección policial y contra incendios; servicios gubernamentales públicos esenciales.
Fuente: Ellingwood et al. (2020).
La recuperación funcional se refiere al restablecimiento de las funciones básicas del edificio o sistema de infraestructura tras un evento adverso. Desde la perspectiva de la resiliencia, el diseño de estos sistemas debe tener en cuenta el daño potencial y la forma en que se recuperarán durante el proceso de diseño. Este aspecto se aborda en parte en instalaciones críticas como hospitales y refugios, donde se aumentan los requisitos de carga y deformación para construir estructuras más sólidas.
Desde la perspectiva de la resiliencia comunitaria, otros edificios también pueden considerarse críticos según su función, como residencias de personas mayores y escuelas. Sin embargo, los códigos actuales se centran en la seguridad de las personas en edificios e infraestructuras individuales, sin considerar explícitamente las formas de fallo ni las reparaciones necesarias para restaurar la funcionalidad en un tiempo determinado. Para establecer normas que incluyan objetivos de desempeño en términos de funcionalidad y resiliencia, además de la seguridad, será necesario cambiar el proceso regulatorio, pasando de un diseño basado en componentes a un enfoque sistémico.
Se necesitan orientaciones sobre mejores prácticas y criterios de proyecto con objetivos que respalden las metas de resiliencia comunitaria para incluir la recuperación funcional. Se requieren objetivos funcionales y criterios para abordar mejor el papel de las infraestructuras, incluidos los niveles esperados de daño, el impacto en la funcionalidad de los edificios y otras infraestructuras, las reparaciones necesarias para restablecer la funcionalidad e impactos potenciales en la recuperación social y económica de la comunidad.
A medida que la ingeniería se esfuerza por incorporar los conceptos de resiliencia y recuperación funcional en su práctica, es necesario abordar el cambio climático en paralelo. La ASCE (2015) destacó un dilema clave para los ingenieros en ejercicio: «Aunque la comunidad científica está de acuerdo en que el clima está cambiando, existe una incertidumbre significativa sobre las distribuciones espaciales y temporales de los cambios durante la vida útil de los diseños y planes de infraestructura. La necesidad de que la infraestructura de ingeniería satisfaga las necesidades futuras y la incertidumbre sobre el clima futuro plantean un dilema para los ingenieros».
Los cambios en las condiciones climáticas pueden afectar a las infraestructuras y a su resiliencia de diversas maneras. ASCE (2018) identificó los tipos de impactos relacionados con el clima que deben abordarse, en particular, los relacionados con las inundaciones (el aumento de los niveles, de las velocidades de flujo y de las alturas de las olas), con las precipitaciones (las acciones de lluvia y nieve en los techos y el aumento de las acciones de las heladas en las estructuras) y con el viento (la mayor intensidad y frecuencia de tormentas y huracanes). El Manual de Práctica 144 de ASCE (ASCE, 2021) utiliza métodos probabilísticos para el análisis y la gestión de riesgos en los proyectos para abordar las incertidumbres dentro de un horizonte temporal. Este enfoque incluye la identificación y el análisis de riesgos, fallos del sistema, probabilidades asociadas y consecuencias, incluyendo pérdidas directas e indirectas, cuantificación de fallos y recuperación para la resiliencia, efectos en las comunidades, la economía de la resiliencia y las tecnologías para mejorar la resiliencia tanto en infraestructuras nuevas como existentes.
La resiliencia incorpora la dimensión temporal a través del proceso de recuperación y reconstrucción, pero los modelos de recuperación aún se encuentran en una etapa inicial de desarrollo. Además, durante la recuperación es necesario tener en cuenta las interdependencias, por ejemplo, cuando un edificio o sistema es funcional, pero otro sistema del que depende (por ejemplo, servicios públicos) aún no puede proporcionar el servicio necesario.
Cuando los edificios no son funcionales debido a retrasos en la financiación de reparaciones u otras causas, los efectos son enormes. En efecto, los retrasos en la recuperación de la funcionalidad de los edificios afectan directamente a la población, que se ve obligada a desplazarse y aumenta la probabilidad de emigrar, lo que repercute negativamente en las métricas de estabilidad poblacional (Tabla 2). La emigración también depende de la cohesión social y de factores como la fuente de refugio, empleo y educación de los niños en un hogar.
Desafíos para la resiliencia comunitaria en un clima cambiante
En la próxima década, probablemente evolucionen las mejores prácticas de los profesionales del diseño y las decisiones de los planificadores urbanos y las autoridades reguladoras para apoyar la forma en que se aborda el cambio climático en lo que respecta a la resiliencia comunitaria. El Diseño Basado en el Desempeño (PBD) ofrece una forma de abordar este conflicto y resolver los desafíos inherentes que surgirán al atender tanto las necesidades de las instalaciones como las de la comunidad. Desarrollar e incorporar enfoques PBD que aborden los peligros e impactos del cambio climático en las mejores prácticas, estándares y códigos es una necesidad urgente para la profesión de la ingeniería y la sociedad.
Los desafíos para los ingenieros estructurales incluyen los siguientes (Ellingwood et al., 2020):
Identificación de metas comunes de resiliencia comunitaria que aborden los futuros impactos del cambio climático, las cuales deberían ser establecidas por un grupo amplio de partes interesadas.
Objetivos de desempeño para los edificios, según categorías funcionales o agrupaciones (por ejemplo, edificios residenciales, instalaciones comerciales, gubernamentales) o instituciones socioeconómicas (por ejemplo, educación, atención médica), deben expresarse como requisitos compatibles con la práctica de ingeniería y ser prácticos de implementar desde una perspectiva de ingeniería.
Objetivos de fiabilidad para los edificios individuales en la práctica de diseño estructural actual (por ejemplo, ASCE 7-22, Sección 1.3) identifican requisitos mínimos de rendimiento a nivel de componente para la mayoría de las acciones, excepto las sísmicas. Se necesitan fiabilidades objetivo y criterios de desempeño a nivel de sistema para todas las cargas, con el fin de apoyar las metas de resiliencia comunitaria.
Códigos, normas y regulaciones para los sistemas de infraestructura (por ejemplo, edificios, puentes, comunicaciones críticas) deben coordinarse para apoyar las metas de resiliencia comunitaria e impactos del cambio climático, y para abordar la funcionalidad y recuperación de la infraestructura civil, así como la seguridad de las personas.
En resumen, la resiliencia comunitaria se refiere a la capacidad de las comunidades para adaptarse a situaciones adversas, mantener sus funciones esenciales y recuperarse rápidamente después de eventos extremos. Para desarrollar estrategias de adaptación eficaces, especialmente frente al cambio climático, es crucial que los miembros de la comunidad participen activamente en la identificación de sus valores y prioridades. Las comunidades vulnerables suelen sufrir impactos desproporcionados debido a factores socioeconómicos y demográficos, lo que subraya la necesidad de enfoques equitativos en la planificación de la resiliencia. Además, es fundamental tener en cuenta las interdependencias entre los sistemas de infraestructura y la coordinación entre múltiples propietarios para mejorar la resiliencia. La planificación debe incluir objetivos de rendimiento claros y métricas que aborden tanto la funcionalidad como la recuperación de los sistemas, para que las comunidades puedan hacer frente a los desafíos climáticos futuros de manera efectiva.
Aquí tenéis un mapa mental sobre el contenido de las reflexiones anteriores, que espero, os sea útil.
Dejo a continuación un documento que creo que os puede interesar sobre este tema.
Bruneau, M., Barbato, M., Padgett, J. E., Zaghi, A. E., et al. (2017). State-of-the-art on multihazard design. Journal of Structural Engineering, 143(10), 03117002.
Cooke, R. M. (2015). Messaging climate change uncertainty. Nature Climate Change, 5(1), 8–10.
Ellingwood, B. R., van de Lindt, J. W., & McAllister, T. (2020). Community resilience: A new challenge to the practice of structural engineering. Structural Magazine, 27(11), 28–30.
Ellingwood, B. R., Bocchini, P., Lounis, Z., Ghosn, M., Liu, M., Yang, D., Capacci, L., Diniz, S., Lin, N., Tsiatas, G., Biondini, F., de Lindt, J., Frangopol, D.M., Akiyama, M., Li, Y., Barbato, M., Hong, H., McAllister, T., Tsampras, G. & Vahedifard, F. (2024). Impact of Climate Change on Infrastructure Performance. In Effects of Climate Change on Life-Cycle Performance of Structures and Infrastructure Systems: Safety, Reliability, and Risk (pp. 115-206). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
Eisenhauer, E., Henson, S., Matsler, A., Maxwell, K., Reilly, I., Shacklette, M., Julius, S., Kiessling, B., Fry, M., Nee, R., Bryant, J., Finley, J., & Kieber, B. (2024). Centering equity in community resilience planning: Lessons from case studies. Natural Hazards Forum, Washington, D.C.
IPCC (1997). The regional impacts of climate change: an assessment of vulnerability. IPCC, Geneva.
McAllister, T., Walker, R., & Baker, A. (2022). Assessment of resilience in codes, standards, regulations, and best practices for buildings and infrastructure systems. NIST Technical Note 2209. National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2209
O’Neill, B., van Aalst, M., Zaiton Ibrahim, Z., Berrang Ford, L., Bhadwal, S., Buhaug, H., Diaz, D., Frieler, K., Garschagen, M., Magnan, A., Midgley, G., Mirzabaev, A., Thomas, A., & Warren, R. (2022). Key risks across sectors and regions. In H.-O. Pörtner, D. C. Roberts, M. Tignor, E. S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, & B. Rama (Eds.), Climate change 2022: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (pp. 2411–2538). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009325844.025
Poland, C. D. (2009). The resilient city: Defining what San Francisco needs from its seismic mitigation policies. San Francisco Planning and Urban Research Association Report. Earthquake Engineering Research Institute.
Vogel, J., Carney, K. M., Smith, J. B., Herrick, C., et al. (2016). Climate adaptation: The state of practice in US communities. The Kresge Foundation and Abt Associates.
El diseño estructural de infraestructuras, como edificios y puentes, se basa en códigos que establecen los criterios necesarios para garantizar su resistencia a diversas condiciones climáticas y ambientales. Estos códigos se actualizan periódicamente para reflejar los avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, el cambio climático plantea un desafío disruptivo, ya que altera las condiciones climáticas de manera impredecible, lo que cuestiona la suposición de que las cargas climáticas son estacionarias.
En estas líneas se aborda cómo la transición del diseño estructural basado en estados límites ha influido en la forma en que se tienen en cuenta las variables climáticas. También aborda las dificultades que surgen al integrar el cambio climático en los modelos de riesgo estructural y analiza la necesidad de ajustar los métodos de estimación y diseño para tener en cuenta la creciente incertidumbre sobre el futuro climático.
Estas reflexiones se enmarcan dentro del proyecto RESILIFE, que actualmente desarrollo como investigador principal, y se han basado en algunas ideas desarrolladas en el trabajo reciente de Ellingwood et al. (2024).
Los códigos estructurales establecen los criterios necesarios para diseñar edificios, puentes y otras infraestructuras capaces de resistir las demandas de uso y los eventos ambientales o climáticos, como la nieve, el hielo, las lluvias, las tormentas de viento e inundaciones fluviales y costeras. Para garantizar que reflejen los últimos avances en ciencia e ingeniería, estos códigos se actualizan periódicamente, generalmente cada 5 o 10 años.
En las últimas cuatro décadas, los códigos estructurales de todo el mundo, como el «Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures (ASCE 7-22)», las «LRFD Bridge Design Specifications (AASHTO)», el «International Building Code«, el «National Building Code of Canada» y los Eurocódigos, han adoptado los principios del diseño basado en estados límite. Durante este tiempo, los ingenieros estructurales y la normativa han reconocido la importancia de las herramientas de análisis de fiabilidad estructural y gestión del riesgo para modelar las incertidumbres asociadas a las cargas estructurales y la respuesta de las estructuras, y así garantizar un rendimiento adecuado en servicio (García-Segura et al., 2017). Con la transición del diseño basado en tensiones admisibles al diseño por estados límite, los criterios para las cargas climáticas han evolucionado gradualmente. Hasta ahora, estos criterios, basados en registros climáticos históricos y en evaluaciones de fiabilidad estructural, han tratado las cargas operativas y climáticas como estacionarias, asumiendo que el pasado es representativo del futuro.
El cambio climático plantea un desafío disruptivo y significativo para la evolución gradual de los códigos basados en el riesgo, así como para las prácticas de diseño estructural (ASCE, 2015a, 2018). La suposición de estacionariedad en el análisis de riesgos naturales deja de ser válida al tener en cuenta los efectos del cambio climático. Además, las incertidumbres asociadas a las proyecciones climáticas para el resto del siglo XXI son considerables, especialmente en lo que respecta a las cargas de viento, hielo y nieve (Tye et al., 2021). Las condiciones climáticas más agresivas podrían acelerar el deterioro estructural en ciertos casos, así como aumentar la intensidad y duración de los peligros. El cambio climático también ha suscitado controversia desde el punto de vista económico y político. Lograr consenso en los comités encargados de los códigos sobre el impacto del cambio climático en las infraestructuras requerirá una gestión técnica eficaz y una separación clara entre los aspectos políticos, como las causas del cambio climático, y los aspectos técnicos, como su impacto en las estructuras. Asimismo, podría haber oposición pública ante los costes adicionales que conlleven las modificaciones en los códigos climáticos. No obstante, ignorar los efectos del cambio climático en el comportamiento a largo plazo de las estructuras e infraestructuras podría incrementar el riesgo de daños y fallos, aumentar los costes de diseño, construcción y mantenimiento, agravar problemas de salud y seguridad públicas, interrumpir servicios esenciales y generar impactos socioeconómicos y ambientales negativos a nivel nacional.
Es fundamental abordar varias preguntas clave para considerar las exigencias del cambio climático en el desarrollo de los códigos estructurales. Entre ellas se encuentran (Ellingwood et al., 2024) :
¿Cómo se debe modelar la no estacionariedad en la ocurrencia e intensidad de los eventos climáticos extremos provocados por el cambio climático?
¿Cómo se deben integrar estas incertidumbres en un análisis de fiabilidad estructural dependiente del tiempo, con el fin de estimar el comportamiento futuro y demostrar el cumplimiento de los objetivos de rendimiento expresados en términos de fiabilidad?
¿Cómo se puede convencer a los ingenieros estructurales y al público en general de la necesidad de aceptar estos cambios en interés nacional (Cooke, 2015), incluso si en algunos casos los costes de los sistemas de infraestructura aumentan?
Problemas y desafíos en el análisis de datos climáticos para el diseño estructural
Las variables climáticas empleadas en los códigos estructurales se basan principalmente en datos históricos. Los vientos extratropicales, la nieve, la temperatura y las precipitaciones se analizan exclusivamente a partir de estos datos. En el caso de los huracanes, se integran datos históricos en un marco que modela su génesis en la cuenca del Atlántico Norte, su desarrollo hasta convertirse en huracanes plenamente formados que impactan en infraestructuras costeras y su disipación tras tocar tierra. Estos análisis suponen que las variables climáticas pueden evaluarse como si fueran estacionarias, es decir, que el pasado es representativo del futuro y que sus intensidades pueden determinarse en función de sus periodos de retorno. Los datos se han recopilado para fines distintos al diseño de edificaciones, como la aviación comercial, la hidrología local, la gestión de recursos hídricos y la agricultura, y generalmente abarcan menos de 100 años.
La mayoría de las variables climáticas incluidas en los códigos se suelen determinar ajustando el parámetro extremo anual a una distribución de probabilidad. Entre las distribuciones más comunes utilizadas para este propósito se encuentran la distribución Tipo I de valores máximos y la distribución generalizada de valores extremos. El periodo de retorno o intervalo medio de recurrencia de una carga se calcula como el recíproco de la probabilidad anual de que dicha carga se supere. El error de muestreo en la estimación de los eventos base de diseño en una secuencia estacionaria para periodos de retorno superiores a 100 años puede ser considerable. Sin embargo, las estimaciones de las medias de las muestras suelen ser razonablemente estables cuando se actualizan en intervalos típicos de 10 años con datos climáticos adicionales.
La suposición de estacionariedad en los datos no puede justificarse en un contexto de cambio climático (Pandey y Lounis, 2023), y el concepto de un evento asociado a un periodo de retorno específico no es aplicable en sentido estricto. El aumento (o disminución) de las variables climáticas, junto con la creciente incertidumbre en los modelos de predicción climática, especialmente a partir del año 2060, afectará a la forma de analizar y especificar los datos para fines de diseño estructural. Quizás lo más relevante sea el impacto que tendrá sobre la forma en que se comunicarán los peligros de diseño a la comunidad profesional de la ingeniería y a sus clientes (Cooke, 2015). Ellingwood et al. (2024) recuerdan claramente la confusión generada por el concepto de periodo de retorno cuando se introdujo a finales de la década de 1960. El periodo de retorno se concibió como una herramienta para reconocer que el parámetro de carga es aleatorio y para definir indirectamente la probabilidad anual de que se supere su intensidad de diseño, sin necesidad de recurrir a probabilidades pequeñas que no eran habituales entre los ingenieros estructurales de esa época. Esto podría explicar por qué algunos investigadores climáticos han intentado presentar sus estimaciones de parámetros utilizando el concepto de periodo de retorno (Ribereau et al., 2008; Salas y Obeysekera, 2014). Este problema requiere una reflexión cuidadosa al tratar con un clima cambiante, donde las probabilidades anuales no son constantes a lo largo de la vida útil de una estructura.
El crecimiento proyectado de las variables climáticas y sus incertidumbres más allá del año 2060 indica que será necesario desarrollar métodos para gestionar la incertidumbre epistémica -se refiere a la incertidumbre del modelo- en la estimación de parámetros, un aspecto que no se había tenido en cuenta previamente al estimar las variables climáticas para desarrollar códigos estructurales. Aunque la precisión de las técnicas generales de pronóstico climático ha mejorado gracias a la recopilación continua de datos, los modelos climáticos actuales son más capaces de predecir el impacto del cambio climático sobre la temperatura y las precipitaciones que sobre fenómenos como inundaciones, nevadas y vientos. Esto resulta problemático a la hora de considerar los niveles de probabilidad apropiados para el análisis de seguridad estructural.
Las futuras investigaciones podrían centrarse en el desarrollo de modelos más precisos para cargas climáticas específicas, como ciclones tropicales o sequías prolongadas, que aún presentan elevadas incertidumbres en sus proyecciones. Además, sería valioso explorar la aplicación de estos principios a sistemas de infraestructura emergentes, como redes de energía renovable o tecnologías de transporte resilientes. Por último, se sugiere investigar métodos para integrar datos climáticos en tiempo real en el diseño y seguimiento de infraestructuras, fomentando un enfoque dinámico y adaptable al cambio climático.
En resumen, los códigos estructurales establecen los criterios necesarios para diseñar infraestructuras capaces de resistir eventos climáticos como tormentas, nieve e inundaciones, y se actualizan periódicamente para reflejar los avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, el cambio climático plantea un reto significativo, ya que altera las condiciones climáticas de manera impredecible, lo que hace que la suposición de estacionariedad que hasta ahora ha guiado el diseño estructural sea obsoleta. Este artículo explora cómo los códigos estructurales han evolucionado hacia un diseño basado en estados límite y la necesidad urgente de ajustar los métodos de análisis de riesgos ante la creciente incertidumbre climática. Además, se analizan los problemas derivados del uso exclusivo de datos históricos para modelar cargas climáticas y las dificultades que plantea el cambio climático a la hora de predecir eventos extremos. Finalmente, se destaca la necesidad de desarrollar nuevos modelos y enfoques analíticos que garanticen la seguridad de las infraestructuras en un entorno climático en constante cambio.
Os dejo un mapa conceptual sobre las reflexiones anteriores.
Referencias:
ASCE (2015). Adapting infrastructure and civil engineering practice to a changing climate. Committee on Adaptation to a Changing Climate. American Society of Civil Engineers.
ASCE (2018). Climate-resilient infrastructure: Adaptive design and risk management. Reston, VA: Committee on Adaptation to a Changing Climate. American Society of Civil Engineers.
Cooke, R. M. (2015). Messaging climate change uncertainty. Nature Climate Change, 5(1), 8-10.
Ellingwood, B. R., Bocchini, P., Lounis, Z., Ghosn, M., Liu, M., Yang, D., Capacci, L., Diniz, S., Lin, N., Tsiatas, G., Biondini, F., de Lindt, J., Frangopol, D.M., Akiyama, M., Li, Y., Barbato, M., Hong, H., McAllister, T., Tsampras, G. & Vahedifard, F. (2024). Impact of Climate Change on Infrastructure Performance. In Effects of Climate Change on Life-Cycle Performance of Structures and Infrastructure Systems: Safety, Reliability, and Risk (pp. 115-206). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
García-Segura, T., Yepes, V., Frangopol, D. M., & Yang, D. Y. (2017). Lifetime reliability-based optimization of post-tensioned box-girder bridges. Engineering Structures, 145, 381-391.
Pandey, M. D., & Lounis, Z. (2023). Stochastic modelling of non-stationary environmental loads for reliability analysis under the changing climate. Structural Safety, 103, 102348.
Ribereau, P., Guillou, A., & Naveau, P. (2008). Estimating return levels from maxima of non-stationary random sequences using the Generalized PWM method. Nonlinear Processes in Geophysics, 15(6), 1033-1039.
Salas, J. D., & Obeysekera, J. (2014). Revisiting the concepts of return period and risk for nonstationary hydrologic extreme events. Journal of hydrologic engineering, 19(3), 554-568.
Tye, M. R., & Giovannettone, J. P. (2021, October). Impacts of future weather and climate extremes on United States infrastructure: Assessing and prioritizing adaptation actions. Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
El cambio climático está transformando los patrones de precipitación en todo el mundo y aumentando tanto la frecuencia como la intensidad de los eventos extremos. Esto supone un gran desafío para la ingeniería y la gestión de los recursos hídricos, ya que las estructuras e infraestructuras se diseñan, por lo general, en función de periodos de retorno determinados, que son intervalos estimados de recurrencia de eventos como tormentas intensas o inundaciones. Estos periodos de retorno se calculan a partir de registros históricos, asumiendo que el clima permanece constante. Sin embargo, el cambio climático altera esa estabilidad histórica, lo que implica que las proyecciones de precipitaciones basadas en periodos de retorno tradicionales podrían resultar insuficientes o imprecisas.
Es importante recordar que el periodo de retorno no es una predicción exacta de cuándo ocurrirá un evento, sino una probabilidad de ocurrencia. Un evento con un periodo de retorno de 100 años no significa que ocurrirá exactamente cada 100 años, sino que tiene una probabilidad del 1 % de ocurrir en cualquier año dado. En un clima cambiante, esta probabilidad podría aumentar si los eventos extremos se vuelven más frecuentes y desafían los márgenes de seguridad para los que están diseñadas muchas infraestructuras.
Todo esto nos plantea la necesidad de adaptar los métodos de cálculo y planificación de periodos de retorno, incorporando datos actualizados y modelos que contemplen escenarios futuros, en lugar de depender únicamente de registros históricos. Veamos, a continuación, qué es la precipitación en ingeniería hidráulica: conceptos, medición y análisis.
La precipitación es un fenómeno meteorológico esencial que alimenta los recursos hídricos y afecta directamente al diseño de obras civiles, especialmente a las relacionadas con el drenaje y el control de inundaciones. El objetivo de este artículo es explicar detalladamente qué es la precipitación, cómo se mide y se analiza, y cómo se utiliza el concepto de periodo de retorno para planificar y mitigar los riesgos en las infraestructuras.
1. ¿Qué es la precipitación?
La precipitación se define como cualquier tipo de agua que cae desde la atmósfera hasta la superficie terrestre, incluyendo la lluvia, la nieve, el granizo y la llovizna. La medida de precipitación suele expresarse en milímetros (mm), lo que indica la altura de agua que se acumularía si no hubiera escorrentía ni infiltración en el suelo. Un valor de 1 mm de precipitación equivale a un litro de agua por metro cuadrado de superficie.
La precipitación es crucial para el ciclo hidrológico y afecta a numerosos sistemas naturales y humanos, incluidos el abastecimiento de agua potable, la agricultura y el diseño de infraestructuras de transporte y drenaje.
2. Métodos de medición de la precipitación
2.1. Pluviómetros
El pluviómetro es un dispositivo común para medir la cantidad de lluvia en un lugar específico. Se instala en el exterior y captura el agua de lluvia, midiendo su cantidad en milímetros. Los pluviómetros son esenciales para generar registros continuos de precipitación y permiten estimar los patrones anuales y mensuales, entre otros datos útiles para el análisis de lluvias extremas.
2.2. Pluviogramas y hietogramas
Pluviograma: Es un gráfico que muestra la acumulación de precipitaciones en función del tiempo. El eje vertical representa la altura de la precipitación acumulada, mientras que el eje horizontal muestra el tiempo. Esto permite visualizar cómo se acumula la lluvia durante un evento específico, como una tormenta.
Fuente: Eduardo Albentosa, Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medioambiente, UPV.
Hietograma: Es un gráfico que representa la intensidad de la precipitación en un intervalo de tiempo determinado. A diferencia del pluviograma, el hietograma se centra en la tasa de precipitación (en mm/h). Esta información es crucial en ingeniería para analizar eventos de precipitación intensos y de corta duración, como las tormentas, que pueden provocar inundaciones y desbordamientos.
Fuente: Eduardo Albentosa, Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medioambiente, UPV.
2.3. Redes de pluviometría y densidad de medición
Una red de estaciones pluviométricas permite recoger datos de precipitación en múltiples puntos de una región. La densidad de esta red es importante para obtener una representación precisa de la distribución espacial de la precipitación. Cuantas más estaciones pluviométricas haya, mayor será la precisión en la interpolación de datos y en el análisis de la variabilidad de la precipitación en áreas amplias.
3. Análisis de la distribución temporal de la precipitación
La distribución temporal de la precipitación se refiere a cómo varía la intensidad de la lluvia a lo largo del tiempo. Para comprender estos cambios, en ingeniería se utilizan herramientas y modelos que ayudan a prever el comportamiento de la lluvia y su potencial impacto en las infraestructuras.
3.1. Curvas IDF: Intensidad-Duración-Frecuencia
Las curvas IDF (Intensidad-Duración-Frecuencia) son representaciones estadísticas que relacionan tres factores clave de la precipitación:
Intensidad (I): Cantidad de lluvia por unidad de tiempo (mm/h).
Duración (D): Tiempo durante el cual se mide la precipitación.
Frecuencia (F): Probabilidad de que se repita un evento en un intervalo de tiempo determinado.
Fuente: Eduardo Albentosa, Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medioambiente, UPV.
Estas curvas se desarrollan a partir del análisis estadístico de eventos históricos de lluvia. En general, la probabilidad de que ocurra un evento de alta intensidad disminuye conforme aumentan la duración y el intervalo de retorno. Por ejemplo, una lluvia de alta intensidad con un periodo de retorno de 100 años es mucho menos frecuente que una lluvia moderada en el mismo intervalo.
3.2. Hietogramas de diseño
Los hietogramas de diseño son modelos simplificados que representan la distribución de la intensidad de la precipitación durante un evento de diseño. En ingeniería, estos diagramas permiten estimar el volumen total de precipitación en un evento y prever el comportamiento de los sistemas de drenaje y de almacenamiento de agua.
Algunos tipos de hietogramas de diseño son:
Hietograma rectangular: Representa una intensidad de precipitación constante durante toda la duración del evento.
Hietograma triangular: Muestra una distribución con un pico de intensidad en un momento específico, lo cual es más realista para muchas tormentas naturales.
Hietograma de bloques alternos: Descompone el evento en bloques de intensidad variable, alternando entre períodos de alta y baja intensidad, lo que proporciona una representación más detallada.
3.3. Importancia de las curvas IDF en el diseño de infraestructuras
Las curvas IDF son fundamentales para el diseño de infraestructuras de drenaje, canales y presas. Permiten calcular la capacidad de estas obras para gestionar los caudales generados por eventos de lluvia extremos. Si no se realiza un análisis adecuado de estas curvas, las infraestructuras pueden resultar vulnerables a desbordamientos y fallos durante eventos de precipitación intensa.
4. Análisis de la distribución espacial de la precipitación
La precipitación varía de un lugar a otro, especialmente en regiones con condiciones topográficas complejas, como montañas y valles. Para representar adecuadamente esta variabilidad en proyectos de ingeniería, se emplean métodos de interpolación espacial para estimar la precipitación en puntos sin mediciones directas.
4.1. Métodos de interpolación y promediación
Método de Thiessen: Divide el área de estudio en polígonos de influencia basados en la proximidad de las estaciones pluviométricas. Este método permite asignar una estimación de la precipitación a cualquier punto dentro de un polígono en función de los valores registrados en la estación más cercana.
Inverso de la Distancia: Calcula la precipitación en puntos no medidos asignando mayor peso a las estaciones más cercanas. Este método es especialmente útil cuando la densidad de estaciones es baja, aunque no considera las variaciones topográficas.
4.2. Factor de reducción areal
En grandes áreas, como cuencas hidrográficas, es improbable que las precipitaciones se distribuyan uniformemente en toda la región. Por esta razón, se emplea un factor de reducción areal que disminuye la intensidad de la precipitación puntual al extrapolarla a áreas más grandes. Este factor depende del tamaño de la cuenca y de las condiciones meteorológicas de la región.
5. El periodo de retorno y su importancia en hidrología e ingeniería
El periodo de retorno es un concepto estadístico que define el tiempo promedio entre eventos extremos de una magnitud específica. En hidrología, este concepto es fundamental para evaluar la frecuencia y la probabilidad de eventos como tormentas intensas o inundaciones.
5.1. Definición y cálculo del periodo de retorno
El periodo de retorno T se define como:
donde P[X>x] es la probabilidad anual de que un evento de precipitación exceda un valor umbral x. Por ejemplo, si una tormenta tiene un periodo de retorno de 50 años, esto significa que hay un 2% de probabilidad de que ocurra en cualquier año específico.
5.2. Uso del periodo de retorno en el diseño de infraestructuras
En la práctica, los ingenieros diseñan infraestructuras de drenaje y de almacenamiento de agua basándose en periodos de retorno específicos. Por ejemplo, una presa de retención puede construirse para soportar eventos de 100 años, lo que implica una probabilidad de fallo del 1 % cada año.
Este cálculo se ajusta a los requisitos de seguridad y de tolerancia al riesgo de cada infraestructura, con el fin de minimizar las probabilidades de fallo, especialmente en áreas densamente pobladas o con activos económicos significativos.
5.3. Riesgo a largo plazo y el periodo de retorno
Aunque un periodo de retorno largo (como 100 años) sugiere una baja probabilidad de ocurrencia anual, es importante entender que, en periodos de tiempo prolongados, la probabilidad acumulada de que el evento ocurra aumenta. Para calcular el riesgo acumulado durante un periodo de N años, se usa la siguiente fórmula:
donde p=1/T es la probabilidad anual del evento y N es el periodo en años. Esto permite estimar la probabilidad de que un evento supere la capacidad de una infraestructura durante un número de años especificado. Por ejemplo, el riesgo de que una estructura diseñada para un periodo de retorno de 100 años falle al menos una vez en un periodo de 50 años es de aproximadamente 40 %. En la gráfica que dejo a continuación tenéis la probabilidad de que ocurra un evento en función del número de años y del periodo de retorno.
Riesgo y periodo de retorno. Elaboración propia.
Nota importante: Una infraestructura no falla exactamente a los 100 años si está diseñada para un periodo de retorno de 100 años. De hecho, su probabilidad es del 63 %. Incluso existe una probabilidad del 10 % de que falle a los 10 años de su construcción. Que te toque la lotería de Navidad tiene una probabilidad del 0,001 %, pero de hecho, hay gente a la que le ha tocado la lotería varias veces seguidas. Por tanto, hay que ser cautos con la estadística.
6. Aplicación de la precipitación en el contexto del cambio climático
El cambio climático está afectando a los patrones de precipitación en todo el mundo, incrementando la frecuencia e intensidad de los eventos extremos. Este fenómeno plantea nuevos retos a los ingenieros, ya que las estructuras diseñadas en condiciones climáticas históricas pueden no ser adecuadas para las condiciones futuras.
Adaptar las infraestructuras al cambio climático implica revisar los periodos de retorno y los valores de las curvas IDF para considerar eventos más intensos o frecuentes. En este contexto, es fundamental contar con bases de datos a largo plazo y modelos predictivos que permitan simular condiciones futuras.
Conclusión
El análisis de la precipitación es crucial en la ingeniería hidráulica para prevenir y mitigar riesgos. Desde los métodos de medición y los análisis temporales y espaciales hasta el uso del periodo de retorno, estos conceptos permiten a los ingenieros diseñar infraestructuras resilientes. Dado el impacto creciente del cambio climático, la actualización y adaptación de estos métodos serán cada vez más importantes para garantizar la seguridad y la sostenibilidad de las infraestructuras.
Una pregunta que suelen hacerme es si es necesario el cálculo de la huella de carbono en la redacción de los proyectos de construcción. A estas alturas nadie duda de la importancia que tiene la emisión de gases de efecto invernadero. En el ámbito científico y técnico, la metodología del análisis del ciclo de vida de un producto está plenamente desarrollada. Sin embargo, la docencia de este tipo de técnicas en las enseñanzas universitarias no acaba de incorporarse plenamente en los programas curriculares. Voy a relatar brevemente lo que está ocurriendo a nivel legislativo para que veáis hacia dónde va este tema.
Todo ello viene porque el pasado 1 de abril de 2022 el Pleno del Consell aprobó el proyecto de Ley de Cambio Climático y Transición Ecológica de la Comunitat Valenciana.Se trata de una propuesta de la Conselleria de Agricultura, Desarrollo Rural, Emergencia Climática y Transición Ecológica que traza una hoja de ruta para reducir las emisiones y contribuir a luchar contra el cambio climático.
La nueva normativa establece un objetivo de reducción de emisiones del 40% para 2030 y conseguir la neutralidad en el horizonte del 2050. En cuanto al consumo de energía, el objetivo es disminuir al menos un 35,4% para 2030. En relación con la transición energética, el objetivo es que el 42% del consumo de energía provenga de fuentes renovables, también en 2030. Una de las diversas obligaciones que impone el nuevo texto legislativo es que, a partir del 1 de enero de 2025, todos los municipios de la Comunitat Valenciana con más de 5.000 habitantes estén obligados a calcular y registrar su huella de carbono.
Asimismo, este requisito parece ser cada vez más como una condición necesaria para poder acogerse a determinadas ayudas públicas. A modo de ejemplo, la Resolución de 16 de febrero de 2022, de la Conselleria de Agricultura, Desarrollo Rural, Emergencia Climática y Transición Ecológica, por la que se convocan ayudas a los municipios de la Comunitat Valenciana para potenciar proyectos de lucha contra el cambio climático, para el ejercicio de 2022. Por su parte, las grandes y medianas empresas que operen en todo o parte de la Comunidad Valenciana estarán obligadas, de acuerdo con lo que se establezca reglamentariamente, a calcular y reconocer anualmente la correspondiente huella de carbono de sus actividades.
Este es un ejemplo, en el ámbito regional, de cómo se está imponiendo la evaluación de la huella de carbono en los ámbitos públicos y privados. En muchos más ámbitos y países se está legislando de una forma similar. Por tanto, y respondiendo a la pregunta planteada, la respuesta es que sí no es obligatorio calcular la huella de carbono en los proyectos, lo va a ser en el futuro próximo. Los Colegios Profesionales deberán estar atentos a estos cambios legislativos para exigir estos cálculos cuando se proceda al visado de los proyectos.
Como sabéis, nuestro grupo de investigación no solo está desarrollando la metodología para este cálculo en el ámbito ambiental y social, sino que está aplicando técnicas de decisión multicriterio para que el proyectista sea capaz de decidir la mejor de las opciones en el estudio de soluciones del proyecto. Además, para que estas técnicas sean efectivas, deben aplicarse sobre soluciones optimizadas.
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En este artículo se explica el proyecto RESILIFE, cuyos investigadores principales son Víctor Yepes y Julián Alcalá, de la Universitat Politècnica de València. Se trata de un proyecto de investigación de carácter internacional en el que también colaboran profesores de Brasil, Chile y China. Además, se están realizando varias tesis doctorales de estudiantes de Cuba, Perú, México y Ecuador, así como de estudiantes españoles. A continuación, se describe brevemente el proyecto y se incluye una comunicación reciente donde se explica con más detalle.
