El mantenimiento y la reparación de los equipos supone un coste importante para los parques de maquinaria de las empresas constructoras. Una posibilidad que tienen los parques es acordar un acuerdo con un proveedor que realice las labores de mantenimiento.
Con motivo de la celebración del XXXIX Congreso Sudamericano de Ingeniería Estructural JSAEE 2022, fui invitado a impartir una conferencia denominada “Diseño y mantenimiento sostenible de estructuras y puentes considerando su ciclo de vida“. En esta conferencia explico lo que está realizando nuestro grupo de investigación con proyectos como DIMALIFE y HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Espero que os sea de interés.
Uno de los dos tramos del viaducto desplomado en el A-6. (EFE/Ana Maria Fernández Barredo))
Con motivo del VIII Congreso de la Asociación Española de Ingeniería Estructural celebrado en Santander, me solicitaron una entrevista para El Confidencial sobre el problema del viaducto de la A-6 en el municipio leonés de Vega de Valcarce. Los que ya me conocéis, sabéis que nunca comento este tipo de problemas concretos, a no ser que tenga todos los datos disponibles. Pero aproveché para insistir en la importancia del mantenimiento de nuestras infraestructuras. Os paso en pdf el contenido de la entrevista que me realizó el periodista José Pichel, por si os resulta de interés.
Os dejo a continuación la grabación de la Conferencia Magistral que tuve la ocasión de presentar en el Congreso Nacional de Ingeniería Civil 2021. Dicho evento tuvo lugar en la modalidad virtual del 28 de junio al 02 de julio del 2021. El Congreso Nacional de Ingeniería Civil es el evento que reúne a profesionales, docentes, investigadores y empresarios del sector de la construcción en una jornada de capacitación acerca de las últimas innovaciones producto de las actividades de investigación en el sector de la construcción. Agradezco, una vez más, al Consejo Departamental de ICA del Colegio de Ingenieros del Perú – Capítulo de Ingeniería Civil, la deferencia que tuvo conmigo al invitarme a participar en su Congreso.
Elogio del horizonte, de Eduardo Chillida (Gijón). Imagen: V. Yepes (2021)
Este verano tuve la ocasión de volver a visitar Gijón. En el Cerro de Santa Catalina se encuentra una obra escultórica de hormigón armado de grandes dimensiones denominada “Elogio del horizonte“, de Eduardo Chillida. Se trata de una obra de 10 metros de alto y 500 toneladas que se erigió en el año 1990.
Se trata de un lugar icónico de la ciudad, muy visitado y fotografiado por los numerosos visitantes que llegan de todas partes.
Lo curioso de todo esto es que me fijé que la estructura, que ya tiene 31 años de edad, empieza a sufrir el deterioro habitual de cualquier estructura de hormigón situada en ambiente marino. Se dejan ver las armaduras al aire oxidadas. Lo normal en estos casos, sería emprender una labor de mantenimiento para alargar la vida útil de la escultura.
Pero ahí está lo curioso de este asunto. Leyendo la prensa al respecto (La Nueva España, 03/08/17), pude ver que Chillida manifestó su voluntad en el contrato firmado con el municipio que “la integridad de la obra habrá de ser escrupulosamente respetada, quedando expresamente prohibida su transformación o mutilación”. Además, en el contrato se hace referencia al mantenimiento de la escultura de esta forma: “El Ayuntamiento se obliga a mantener la obra y su entorno en perfecto estado de conservación y mantenimiento, debiendo realizar las obras necesarias para tal menester, así como las de reparación para subsanar el deterioro que pudiera sufrir la obra, bien por el simple transcurso del tiempo, o la acción de terceros, lo que deberá hacerse siguiendo las instrucciones e indicaciones que señale el autor”. Eduardo Chillida falleció en 2002 y la familia Chillida, según el gobierno de Foro, indica que no se puede actuar para reparar “daños estructurales por el salitre” dado que “el autor quería que tuviese un envejecimiento natural”.
Detalle del inicio del deterioro de la escultura de Chillida. Imagen: V. Yepes (2021)
Y aquí viene lo curioso de este dilema. El autor, o al menos su familia así lo interpreta, parece que deseaba que la estructura fuera envejeciendo hasta su deterioro total como parte de su idea artística. No obstante, sin un mantenimiento, cualquier estructura se deteriorará irremediablemente. Los daños personales van a ser difícil que se den en un futuro, pues bastaría impedir el paso a la escultura, pero las generaciones futuras solo podrán ver la escultura original a través de fotografías o vídeos.
Supongo que se tendrá que respetar la voluntad de su autor. Si esto fuera así, será un buen ejemplo, a escala real, de cómo se va a deteriorar una estructura de hormigón, en este caso, muy masiva y sometida a su propio peso. No obstante, también es verdad que la escultura se financió con cargo a los vecinos de Gijón, por lo que algo tendrían que opinar.
Figura 1. Neumático de dúmper. https://www.casajgomez.com.py/consejos-utiles/precauciones-al-cambiar-neumaticos-para-maquinaria-pesada/
Supuesta una correcta selección del neumático para las condiciones en las que va a trabajar y dejando aparte factores externos como pinchazos, cortes profundos y fuertes impactos, la vida del neumático viene limitada fundamentalmente por la generación de calor que se produce en la cubierta, que a su vez depende de diferentes factores:
Temperatura exterior ambiente, que permite una mayor o menor refrigeración del neumático. Si la temperatura se sitúa entre 40 y 45ºC, se neutraliza con un aumento de la presión del 10%.
Sobrecargas constantes del equipo.
Velocidad y longitud del ciclo de trabajo.
Continuidad o discontinuidad de la operación.
Diseño (pendientes, curvas) y conservación de pistas.
Presión de inflado del neumático.
Como precaución adicional, los fabricantes han introducido un procedimiento para relacionar el calentamiento y la seguridad del neumático: el índice TKPH (toneladas-kilómetro por hora). Se define el índice como el producto de las toneladas medias transportadas por la velocidad media y por los kilómetros recorridos. Si las exigencias del trabajo son superiores, habrá que reducir la velocidad, la carga o usar neumáticos con mayor TKPH.
Figura 2. Alineación de las ruedas y tipos de desgaste
Excepto la temperatura ambiente, el resto de factores pueden minorarse con una adecuada planificación y mantenimiento. En la Figura 2 se muestran diversos tipos de desgaste en los neumáticos de un automóvil. En caso contrario, la vida real del neumático puede disminuir en un 80% respecto a la teórica.
Para hacer los neumáticos más duraderos y evitar un desgaste prematuro (canteras de roca fuertemente abrasiva), se utilizan protecciones de cadenas, para trabajos en malos terrenos, constituidas por un mallazo metálico de anillos y eslabones de acero al manganeso.
Los consejos de buen mantenimiento y conservación de los neumáticos se hacen evidentes cuando para máquinas de movimiento de tierras, como las mototraíllas, el coste de los mismos puede alcanzar el 30% del total de los costes de inversión y operación de la máquina.
Os dejo a continuación algunos vídeos respecto al mantenimiento de los neumáticos.
Referencias:
DAY, D.A. (1978). Maquinaria para construcción. Editorial Limusa. 1ª Edición. México. 616 pp.
YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.
Se define la fiabilidad como la probabilidad de que una unidad funcione satisfactoriamente en un intervalo de tiempo determinado, sin que sufra interrupciones de su trabajo por fallo de alguno de sus componentes, siempre que dicho dispositivo se emplee en condiciones establecidas.
El concepto de fiabilidad se encuentra relacionado con el de disponibilidad y el de mantenimiento. En efecto, las máquinas no son infalibles, y por tanto para aumentar su tiempo disponible en las obras se requiere una correcta política de reparación y mantenimiento.
La fiabilidad de un sistema formado por un conjunto de componentes depende de la fiabilidad individual de sus partes constitutivas. Consideraremos, para su estudio, los sistemas con componentes acoplados en serie y en paralelo.
En el caso de la maquinaria de movimiento de tierras, una cargadora se encontraría en serie respecto a un conjunto de camiones, puesto que si falla la cargadora o el conjunto de los camiones, el equipo se para. En cambio, los camiones se encuentran en paralelo entre ellos, pues aunque falle uno de ellos, el resto del equipo puede seguir funcionando.
Sistemas con componentes acoplados en serie
El fallo de cualquier unidad de un sistema acoplado en serie supone el fracaso del conjunto. Suponiendo que n elementos funcionan con independencia, y la i-ésima componente tiene una fiabilidad Ri(t), entonces la fiabilidad del sistema completo R(t) viene dada por el producto de las fiabilidades.
Consecuencia de la ley del producto es que la fiabilidad de un sistema con componentes acoplados en serie disminuye con rapidez al aumentar su número.
Con probabilidades de fallo muy pequeñas, el producto de las probabilidades es despreciable:
Sistemas con componentes acoplados en paralelo
Un sistema con componentes acoplados en paralelo solo dejará de funcionar si lo hacen todos los elementos que lo componen. Si n unidades que actúan con independencia se conectan en paralelo y la i-ésima componente presenta una fiabilidad Ri(t), la fiabilidad del sistema completo se obtiene de la siguiente forma:
y en cuanto a las probabilidades de fallo:
La ley del producto en este caso implica que la posibilidad de fallo de un sistema con componentes acoplados en paralelo disminuye con rapidez al aumentar su número.
Figura 1. Colapso del puente I-35W en Minneapolis. https://thestartupgrowth.com/2019/02/21/structural-health-monitoring-market-driven-by-rapid-expansion-in-the-infrastructure-sector-till-2024/
Una noticia aparecida el 9 de diciembre de 2018 en El País con el siguiente titular “Fomento admite que hay 66 puentes con graves problemas de seguridad” abrió cierta inquietud en la opinión pública sobre la seguridad de nuestros puentes. Esta inquietud irrumpió en agosto de ese mismo año con el derrumbe de un puente en Génova (Italia). Pero los ejemplos no quedan aquí. Podríamos hablar de la sustitución de los cables del puente Fernando Reig, en Alcoy, o del Puente del Centenario, en Sevilla. O del derribo del puente Joaquín Costa, en Madrid. Ejemplos tenemos en todo el mundo. En cualquier caso, estamos hablando de cifras millonarias, de cortes de tráfico, pérdidas humanas, por poner algunas consecuencias sobre la mesa.
Los puentes son componentes críticos de las infraestructuras, pues su correcto funcionamiento es básico para la resiliencia de nuestros entornos urbanos. Sin embargo, un gran número de infraestructuras que están llegando al final de su vida útil al mismo tiempo. De hecho, la vida útil de muchos puentes se espera que sea menor a la proyectada debido al continuo deterioro provocado por el incremento del tráfico y de los impactos ambientales. Esto constituye una auténtica bomba de relojería (Thurlby, 2013), que junto al reto de la reducción de los impactos ambientales, son razones más que suficientes para preocuparnos de mejorar el mantenimiento de nuestros puentes. De hecho, ya hemos comentado en un artículo anterior un concepto totalmente relacionado con éste: la “crisis de las infraestructuras“. Yo me atrevería a afirmar algo que puede parecer muy duro: el derrumbe de nuestra civilización será paralelo al de las infraestructuras que les da soporte.
Hoy día los gestores de las infraestructuras tienen ante sí un reto importante consistente en mantenerlas en un estado aceptable con presupuestos muy limitados. De hecho, la inspección de los puentes, su mantenimiento y reparación constituyen tareas rutinarias necesarias para mantener dichas infraestructuras en buenas condiciones (Tong et al., 2019). Sin embargo, el problema pasa a ser grave cuando una parte significativa del parque de infraestructuras se encuentra cercano al final de su vida útil. Y lo que aún es peor, cuando existen riesgos de alto impacto y de baja probabilidad que pueden afectar gravemente a las infraestructuras. Resolver este problema es complicado, pues no se presta fácilmente a la exploración con los instrumentos analíticos y de previsión tradicionales.
El estado o deterioro de una infraestructura sigue un comportamiento similar, pero invertido, de la llamada “curva de la bañera“, que es una gráfica que representa los fallos durante el periodo de vida útil de un sistema o de una máquina. En este caso, según vemos en la Figura 2, el estado de condición o las prestaciones de la infraestructura permanece alto durante un periodo de tiempo hasta que empieza a decaer. Para los gestores es necesario conocer el comportamiento de las infraestructuras para tomar decisiones. Sin embargo, muchas veces desconocen en qué posición de la curva se encuentran y, lo que es peor, a qué ritmo se va a deteriorar. Por ejemplo, en la Figura 2 podemos ver que la caída en las prestaciones de A a B, o de B a C son similares, pero la velocidad de deterioro es muy diferente. Y lo que es peor de todo, llega un momento que la caída en las prestaciones ocurre de forma muy acelerada, sin capacidad de reacción por parte de los gestores. Por eso se ha utilizado el símil de la “bomba de relojería”.
Figura 2. Estado o prestaciones de una infraestructura (Thurlby, 2013)
La gestión y el mantenimiento de los puentes está empezando a ser un problema de una magnitud que está empezando a ser más que preocupante. Algunos datos son un ejemplo de ello: en el año 2019, 47000 puentes de los puentes en Estados Unidos, (más del 20% del total) presentan deficiencias estructurales (American Road & Transportation Builders Association, 2019); en Reino Unido, más de 3000 puentes estaban por debajo de los estándares y requerían reparación (RAC Foundation, 2019). Estos son buenos argumentos para aumentar la vida útil de los puentes.
Una de las tecnologías para mejorar la gestión y el mantenimiento de los puentes es la vigilancia de su estado estructural (structural health monitoring, SHM), que trata de mejorar el comportamiento de la estructura mediante el aprendizaje de los datos obtenidos durante su vida útil mediante su monitorización (Figura 3). Estos datos sirven para actualizar los modelos y comprobar el estado en que se encuentra la estructura, lo cual permite minimizar la incertidumbre de los parámetros empleados en los modelos. Sin embargo, aún no se ha resuelto completamente el paso de la obtención de los datos del puente en tiempo real a la toma de decisiones en la gestión y mantenimiento de los puentes.
Figura 3. Structural health monitoring. https://thestartupgrowth.com/2019/02/21/structural-health-monitoring-market-driven-by-rapid-expansion-in-the-infrastructure-sector-till-2024/
En un artículo anterior se explicó el concepto de gemelos digitales (digital twins). Estos modelos actualizados constantemente mediante la monitorización del puente, permitirían conocer en tiempo real el estado estructural del puente y también predecir su comportamiento en el caso de que ocurrieran determinadas circunstancias. Esta información sería clave a la hora de tomar decisiones en la gestión y el mantenimiento del puente.
Las preguntas clave que deberíamos responder serían las siguientes: ¿Es el puente seguro?, ¿cuánto tiempo será el puente seguro?, ¿cuál es el comportamiento estructural actual del puente?, ¿cuándo y cómo deberemos intervenir en el puente?
La respuesta a estas preguntas no es tan evidente como pudiera parecer a simple vista. Los gestores de las infraestructuras deberían ser capaces de entender y valorar en su justa medida los resultados estructurales de los modelos cuyos datos se actualizan en tiempo real. La dificultad estriba en conocer no solo los datos, sino las causas subyacentes a los cambios en el comportamiento estructural. Una ayuda son las técnicas procedentes de la inteligencia artificial, como el aprendizaje profundo, que permiten interpretar ingentes cantidades de datos e identificar patrones y correlaciones entre dichos datos. En un artículo anterior hablamos de este tema. Por otra parte, la actualización de los datos procedentes de la vigilancia de los puentes debería ser automática y en tiempo real. Aquí vuelve a cobrar importancia la inteligencia artificial, aunque nunca debería suplantar el conocimiento ingenieril que permite interpretar los resultados proporcionados por los algoritmos.
Por otra parte, la modelización del riesgo y la resiliencia es una labor necesaria para entender la vulnerabilidad de las infraestructuras. De esta forma seríamos capaces de desarrollar estrategias de mitigación, que podrían ser complementarias a las estrategias de gestión del deterioro que se han explicado anteriormente.
Por tanto, existe un auténtico salto entre la investigación dedicada a la monitorización en tiempo real de los puentes y la toma de decisiones para su gestión y mantenimiento. Los gemelos digitales apoyados en los actuales desarrollos tecnológicos como el “Internet de las cosas“, deberían permitir el paso de la investigación y el desarrollo a la innovación directamente aplicable a la realidad de la gestión de las infraestructuras.
THURLBY, R. (2013). Managing the asset time bomb: a system dynamics approach. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Forensic Engineering, 166(3):134-142.
TONG, X.; YANG, H.; WANG, L.; MIAO, Y. (2019). The development and field evaluation of an IoT system of low-power vibration for bridge health monitoring, Sensors 19(5):1222.
Hoy 22 de noviembre de 2019 ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Ignacio J. Navarro Martínez titulada “Life cycle assessment applied to the sustainable design of prestressed bridges in coastal environments“, dirigida por Víctor Yepes Piqueras y José V. Martí Albiñana. La tesis recibió la calificación de “Sobresaliente Cum Laude” por unanimidad. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.
Resumen:
La sostenibilidad ha ido adquiriendo una presencia relevante en nuestra sociedad desde su primera definición en 1987 por parte de la Comisión Brundtland. Desde entonces, la comunidad científica ha llevado a cabo importantes esfuerzos en el desarrollo de normativas, herramientas y criterios para lograr diseños en esa línea. A pesar de ello, estos esfuerzos no han sido suficientes para lograr trazar un futuro realmente sostenible a corto plazo. Como respuesta al estado actual e insuficiente de desarrollo, las Naciones Unidas han establecido recientemente los Objetivos de Desarrollo Sostenible, los cuales deben alcanzarse en 2030. En dichos Objetivos se atiende explícitamente al papel de las infraestructuras, que se revelan como elementos clave para asegurar la consecución de los mencionados Objetivos. Sin embargo, a pesar de las relevantes implicaciones del diseño de infraestructuras, y a pesar de que la mayoría de las infraestructuras están diseñadas para servir a un grupo significativo de personas durante un periodo intergeneracional de tiempo, el diseño sostenible y resiliente de infraestructuras todavía carece de una metodología estandarizada que considere sus ciclos de vida desde una perspectiva holística. En la actualidad, tanto las metodologías de evaluación del ciclo de vida ambiental como las económicas muestran un estado de desarrollo relativamente maduro. Sin embargo, la dimensión social todavía se considera en estado embrionario, comprometiendo por tanto el empleo de métodos de evaluación multidimensionales de la sostenibilidad.
Flamante doctor junto con el tribunal (Salvador Ivorra, Juan José del Coz y Julián Alcalá) y los directores de tesis (Víctor Yepes y José V. Martí)
La presente tesis propone una metodología extendida basada en la norma ISO 14040 de enfoque puramente medioambiental para evaluar la sostenibilidad del ciclo de vida de las infraestructuras mediante la consideración simultánea y coherente de las tres dimensiones de la misma, a saber, el medio ambiente, la economía y la sociedad. Se propone aquí una nueva metodología para evaluar las infraestructuras desde la dimensión social, integrando al mismo tiempo dichas evaluaciones en un marco basado en la norma ISO 14040. A continuación, se aplica una técnica de toma de decisión multicriterio para integrar las tres perspectivas. Con el fin de tener en cuenta las incertidumbres no probabilísticas implicadas en la asignación de pesos al emplear dichas técnicas, se propone aquí un nuevo enfoque neutrosófico para la determinación de los pesos resultantes de la aplicación de la técnica AHP con grupos de decisores. Se ha considerado como caso de estudio el diseño sostenible de un puente de hormigón pretensado en un entorno costero para construir la metodología propuesta. El enfoque holístico en la evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras se revela esencial frente a las habituales evaluaciones basadas únicamente en la consideración de la dimensión medioambiental. Se ha observado que el mantenimiento preventivo resulta más sostenible a lo largo del ciclo de vida en comparación con las estrategias de mantenimiento reactivo. Esta tesis proporciona una guía para el diseño sostenible de estructuras de hormigón, aunque la metodología sugerida puede aplicarse a cualquier tipo de infraestructura.
Referencias:
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2019). Sustainability assessment of concrete bridge deck designs in coastal environments using neutrosophic criteria weights.Structure and Infrastructure Engineering, DOI: 10.1080/15732479.2019.1676791
NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective.Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. DOI:1016/j.eiar.2018.10.001
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2018). Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks.Journal of Cleaner Production, 196: 698-713. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.06.110
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments.Environmental Impact Assessment Review, 72:50-63. DOI:1016/j.eiar.2018.05.003
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Structure and Infrastructure Engineering (revista indexada en el JCR) sobre la aplicación de la lógica neutrosófica (una generalización de la lógica difusa y la lógica intuicionista) al diseño y mantenimiento de puentes en ambiente marino. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
La metodología propuesta utiliza la lógica neutrosófica para obtener los pesos en un Proceso Analítico Jerárquico (AHP) que considerar la subjetividad de los expertos en el proceso de toma de decisión. Se ha aplicado al diseño sostenible de puentes y su mantenimiento considerando simultáneamente las tres dimensiones de la sostenibilidad.
El artículo se puede descargar gratuitamente en el siguiente enlace:
Essential infrastructures such as bridges are designed to provide a long-lasting and intergenerational functionality. In those cases, sustainability becomes of paramount importance when the infrastructure is exposed to aggressive environments, which can jeopardise their durability and lead to significant maintenance demands. The assessment of sustainability is however often complex and uncertain. The present study assesses the sustainability performance of 16 alternative designs of a concrete bridge deck in a coastal environment on the basis of a neutrosophic group analytic hierarchy process (AHP). The use of neutrosophic logic in the field of multi-criteria decision-making, as a generalisation of the widely used fuzzy logic, allows for a proper capture of the vagueness and uncertainties of the judgements emitted by the decision-makers. TOPSIS technique is then used to aggregate the different sustainability criteria. From the results, it is derived that only the simultaneous consideration of the economic, environmental and social life cycle impacts of a design shall lead to adequate sustainable designs. Choices made based on the optimality of a design in only some of the sustainability pillars will lead to erroneous conclusions. The use of concrete with silica fume has resulted in a sustainability performance of 46.3% better than conventional concrete designs.
El mantenimiento y la reparación de los equipos supone un coste importante para los parques de maquinaria de las empresas constructoras. Una posibilidad que tienen los parques es acordar un acuerdo con un proveedor que realice las labores de mantenimiento.
