Acaban de publicarnos un artículo en Journal of Civil Engineering and Management, revista indexada en el primer cuartil del JCR. El artículo propone un procedimiento para evaluar la huella de carbono en la construcción de un puente basándose en la teoría de la resiliencia. La investigación proporciona modelos teóricos y datos sobre los impactos de la resiliencia ambiental y los modelos de gestión de la resiliencia de los proyectos, lo que contribuye al control dinámico y a la evaluación del desarrollo sostenible de las estructuras de puentes a gran escala en el futuro. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El artículo contribuye al campo de la construcción de puentes al abordar la evaluación del impacto ambiental durante la etapa de construcción de puentes a gran escala, utilizando un enfoque multidisciplinario. Establece un sistema modelo teórico de resiliencia al impacto ambiental, proporcionando modelos teóricos detallados y datos de experiencia analítica avanzada para los impactos de la resiliencia ambiental y modelos de gestión de la resiliencia de proyectos.
La investigación destaca los beneficios de la construcción industrializada, que puede ahorrar materiales y reducir la contaminación ambiental en comparación con los métodos de construcción tradicionales. También elimina la dificultad de evaluar con precisión los factores dinámicos discretos en la construcción de puentes.
El estudio demuestra la aplicación de la teoría de la resiliencia al análisis del impacto ambiental de la construcción de puentes, proporcionando una base científica sólida para el control dinámico y la evaluación del desarrollo sostenible de las estructuras de puentes a gran escala en el futuro.
Los resultados de esta investigación pueden servir de base para la toma de decisiones en la industria de la construcción, en particular en lo que respecta a la optimización de los métodos de construcción y la minimización de la contaminación ambiental durante la fase de construcción de puentes a gran escala.
Abstract:
The construction and management of large-scale projects have the characteristics of complexity, dynamic and offline, and how to evaluate it is a research problem accurately. This study addresses this question through multidisciplinary cross-applied research. The research analyses and optimizes the environmental impact of the construction stage of superlarge bridges by establishing a theoretical model system of environmental impact resilience. The analysis shows that industrialized construction can save 56.31% of materials compared with traditional construction but increase the consumption of machinery and personnel by 11.18%. Ultimately, environmental pollution can be significantly reduced. This study breaks through the difficulty of accurately evaluating discrete dynamic factors. It has realized the application of multidisciplinary research to solve management optimization and design problems in the elastic and dynamic changes of super-large bridges during construction. This research provides rich theoretical models and advanced analytics experience data for environmental resilience impacts and project resilience management models, laying a solid scientific foundation for dynamic control and sustainable development assessment of statically indeterminate structures in the future.
Hoy 19 de julio de 2023 ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. David Martínez Muñoz titulada “Optimal deep learning assisted design of socially and environmentally efficient steel concrete composite bridges under constrained budgets“, dirigida por Víctor Yepes Piqueras y José V. Martí Albiñana. La tesis recibió la máxima calificación de sobresaliente «cum laude» y presenta la mención internacional. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.
Resumen:
El diseño de infraestructuras está fuertemente influido por la búsqueda de soluciones que tengan en cuenta el impacto en la economía, el medio ambiente y la sociedad. Estos criterios están muy relacionados con la definición de sostenibilidad que hizo la Comisión Brundtland en 1987. Este hito supuso un reto para técnicos, científicos y legisladores. Este reto consistía en generar métodos, criterios, herramientas y normativas que permitieran incluir el concepto de sostenibilidad en el desarrollo y diseño de nuevas infraestructuras. Desde entonces, se han producido pequeños avances en la búsqueda de la sostenibilidad, pero se necesitan más a corto plazo. Como plan de acción, las Naciones Unidas establecieron los Objetivos de Desarrollo Sostenible, fijando el año 2030 como meta para alcanzarlos. Dentro de estos objetivos, las infraestructuras se postulan como un punto crítico. Tradicionalmente, se han desarrollado métodos para obtener diseños óptimos desde el punto de vista del impacto económico. Sin embargo, aunque en los últimos tiempos se ha avanzado en la aplicación y utilización de métodos de análisis del ciclo de vida completo, aún falta un consenso claro, especialmente en el pilar social de la sostenibilidad. Dado que la sostenibilidad engloba diferentes criterios, que en principio no van necesariamente de la mano, el problema de la búsqueda de la sostenibilidad se plantea no solo como un problema de optimización, sino también como un problema de toma de decisiones multi-criterio.
El objetivo principal de esta tesis doctoral es proponer diferentes metodologías para la obtención de diseños óptimos que introduzcan los pilares de la sostenibilidad en el diseño de puentes mixtos acero-hormigón. Como problema estructural representativo se sugiere un puente viga en cajón de tres vanos mixto. Dada la complejidad de la estructura, en la que intervienen 34 variables discretas, la optimización con métodos matemáticos resulta inabordable. Por ello, se recomienda el uso de algoritmos metaheurísticos. Esta complejidad también se traduce en un alto coste computacional para el modelo, por lo que se implementa un modelo de redes neuronales profundas que permite la validación del diseño sin necesidad de computación. Dada la naturaleza discreta del problema, se proponen técnicas de discretización para adaptar los algoritmos al problema de optimización estructural. Además, para mejorar las soluciones obtenidas a partir de estos algoritmos discretos, se introducen métodos de hibridación basados en la técnica K-means y operadores de mutación en función del tipo de algoritmo. Los algoritmos utilizados se clasifican en dos ramas. La primera son los basados en trayectorias como el Simulated Annealing, Threshold Accepting y el Algoritmo del Solterón. Por otra parte, se emplean algoritmos de inteligencia de enjambre como Jaya, Sine Cosine Algorithm y Cuckoo Search. La metodología de Análisis del Ciclo de Vida definida en la norma ISO 14040 se usa para evaluar el impacto social y medioambiental de los diseños propuestos. La aplicación de esta metodología permite evaluar el impacto y compararlo con otros diseños. La evaluación mono-objetivo de los diferentes criterios lleva a la conclusión de que la optimización de costes está asociada a una reducción del impacto medioambiental y social de la estructura. Sin embargo, la optimización de los criterios medioambientales y sociales no reduce necesariamente los costes. Por ello, para realizar una optimización multi-objetivo y encontrar una solución de compromiso, se implementa una técnica basada en la Teoría de Juegos, recomendando una estrategia de juego cooperativo. La técnica multi-criterio empleada es la Teoría de la Entropía para asignar pesos a los criterios para la función objetivo agregada. Los criterios considerados son los tres pilares de la sostenibilidad y la facilidad constructiva de la losa superior. Aplicando esta técnica se obtiene un diseño óptimo relativo a los tres pilares de la sostenibilidad y a partir del cual se mejora la facilidad constructiva.
Durante los días 10-13 de julio de 2023 tiene lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and EngineeringAEIPRO 2023. Es una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, presenta varias comunicaciones. A continuación os paso los resúmenes.
BRUN-IZQUIERDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Optimización energética de tableros tipo losa pretensados aligerados mediante modelos Kriging. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain).
El objetivo de este trabajo es desarrollar una metodología para optimizar la energía en la construcción de tableros losa pretensado aligerados. Se lleva a cabo un análisis de la sección transversal para determinar los parámetros de diseño a través de un estudio del estado del arte. A partir de ese análisis, se identifican las variables de diseño que mejorarán la eficiencia energética del tablero. La metodología se divide en dos fases: primero, se utiliza una técnica estadística llamada hipercubo latino para muestrear las variables del tablero y determinar una superficie de respuesta; y en segundo lugar, se optimiza la superficie de respuesta mediante un modelo de optimización basado en Kriging. Como resultado, se ha desarrollado una metodología que reduce el costo energético en la construcción de tableros losa pretensado aligerados. Las recomendaciones para mejorar la eficiencia energética incluyen emplear esbelteces elevadas (alrededor de 1/28), reducir el consumo de hormigón y armadura activa, y aumentar la cantidad de armadura pasiva.
HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Durability assessment and re-design of coastal concrete bridge through a non-destructive damage detection method.27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain).
Los expertos y los gobiernos llevan tiempo centrándose en reducir los costes de reparación y mantenimiento de estructuras cruciales como los puentes mediante un mantenimiento y una reparación continuos. Este estudio explora la rentabilidad de dos métodos de predicción de daños mediante el método de densidad espectral de potencia (PSD) en comparación con el método convencional de detección de daños mediante el rediseño de diferentes espesores de recubrimiento de hormigón para un puente costero de hormigón armado. El estudio evalúa el impacto de los iones cloruro en la localización y extensión de los daños a lo largo de la vida útil del puente y compara los costes totales de mantenimiento y reparación. Los resultados muestran que, si bien el método PSD es eficaz para estructuras de hormigón con recubrimientos de hormigón bajos, el aumento del espesor del recubrimiento de hormigón puede dar lugar a mayores costes de reparación.
YEPES, V.; MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; ROSCHIER, L.; BOULET, D.J.; BLIGHT, T. (2023). Códigos abiertos basados en Python para la construcción de nomogramas y su aplicación en la ingeniería de proyectos.27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain).
La Nomografía es una disciplina científica que se encarga de representar gráficamente fórmulas complejas mediante nomogramas, permitiendo el cálculo de tres o más variables matemáticas. Durante el siglo XX, esta técnica fue ampliamente utilizada en áreas como la ingeniería, medicina, electrónica, ciencias físicas, biológicas, etc. Sin embargo, con la llegada de las calculadoras y computadoras, la construcción de nuevos nomogramas y su enseñanza en la universidad disminuyeron. En los últimos años, la nomografía ha resurgido gracias a la ayuda de códigos de programación como PyNomo y Nomogen, basados en Python, que pueden generar un nomograma en cuestión de segundos, frente a las horas que antes requerían. En este trabajo se presentan estos códigos abiertos y algunos nomogramas generados con ellos, analizando su usabilidad, precisión y contribución a la relación entre las variables de las expresiones matemáticas. Finalmente, se destacan las posibilidades del uso de los nomogramas en la enseñanza e ingeniería de proyectos.
Figura 1. El puente sobre el río Arga de la A-12, en Puente la Reina (Navarra), de Javier Manterola, con 120 m de luz. https://www.hortacoslada.com/es/proyectos/puente-rio-arga/
El puente pórtico se caracteriza por ser un sistema estructural en el que el dintel trabaja en conjunto con las pilas, presentándose como un caso intermedio entre un puente arco y un puente viga. Estos puentes se caracterizan por su belleza estética. Al igual que los puentes de vigas, están formados por un tablero y pilas, y el tablero está sujeto a flexión. Sin embargo, a diferencia de los puentes de vigas, las pilas generan empujes horizontales significativos en los cimientos, por lo que se requiere un terreno resistente para minimizar los desplazamientos horizontales. Si el terreno no cumple los requisitos necesarios, por ejemplo, si es blando, las pilas pueden abrirse, colapsar o reducir el empuje horizontal, por lo que la ley de momentos se asemejaría nuevamente a la de una viga con dos apoyos.
El objetivo principal del sistema de aporticado es reducir los momentos flectores generados en el puente mediante el empotramiento parcial proporcionado por la rigidez de las pilas. Como resultado de esta configuración, se originan momentos negativos en la unión entre los pilares y el dintel. Al reducir los momentos máximos en el dintel, es posible construir puentes con luces más amplias. Sin embargo, la unión rígida del tablero con los estribos o las pilas para formar pórticos plantea desafíos en cuanto a las fuerzas axiales generadas por las cargas térmicas y las reacciones horizontales que el sistema del pórtico ejerce sobre las cimentaciones.
Para evitar el desplazamiento horizontal de la base de las pilas, es esencial contar con un terreno capaz de soportar las reacciones horizontales. Este requisito implica que el dintel del puente está sometido a compresión. Esta respuesta estructural se conoce comúnmente como efecto pórtico, que presenta ligeras diferencias respecto al efecto arco, donde todo el puente en arco se somete a compresión.
Figura 2. El viaducto Sfalassà es un viaducto de 254 metros de altura situado cerca de Bagnara Calabra, en Calabria, Italia. https://es.wikipedia.org/wiki/Viaducto_Sfalass%C3%A0
Existen diferentes tipologías básicas de puentes pórtico, que se describen a continuación:
Pórtico de dos o tres vanos con pilares verticales y apoyos deslizantes en los estribos. Este tipo de estructura se utiliza cuando se requiere un gálibo muy estricto. Las pilas pueden dividirse en dos elementos en forma de V, lo que logra un resultado estético agradable y una mayor esbeltez del vano (Figura 3).
Pórtico en forma de “pi” de tres vanos con pilares inclinados y apoyos deslizantes en los estribos. Esta solución es típica para la construcción de pasos superiores de autopistas.
Pilas altas y flexibles, desde las cuales parten dos dinteles construidos mediante voladizos simétricos. Estos dinteles se unen en el centro de los vanos para formar pórticos. Normalmente, se emplean apoyos deslizantes en los estribos.
Figura 3. Nuevo puente de Anyos (Andorra, 2002). https://www.cfcsl.com/portfolio/nuevo-puente-de-anyos-andorra-2002/
La inclinación de las pilas de un puente pórtico cumple dos funciones principales. En primer lugar, reduce la longitud del vano central del dintel e introduce una componente axial significativa en dicha sección. Además, permite un mejor empotramiento en el vano central, compensado por la continuidad de los vanos laterales del dintel. Cuando las pilas están inclinadas, la respuesta estructural se asemeja a la de un puente en arco con un tablero conectado al arco sin montantes intermedios. En realidad, la forma en que estas dos estructuras soportan las cargas es muy similar, por lo que la distinción entre ellas es, en gran medida, arbitraria.
Por otro lado, si las pilas del puente pórtico son altas y esbeltas en comparación con la longitud del vano central, el empotramiento entre las pilas y el dintel se reduce. En este caso, el tablero actúa más bien como una viga continua apoyada en las pilas. En esta configuración, el efecto pórtico se reduce considerablemente, lo que implica una pérdida de la eficacia buscada en la estructura.
Si la unión entre las pilas y el dintel es de articulación simple, la deformación del tablero bajo cargas verticales será similar a la de una viga simplemente apoyada. Si la unión es empotrada, la deformación seguirá el patrón indicado en la Figura 4, lo cual dependerá de si el terreno ejerce empujes horizontales.
Figura 4. A la izquierda, el terreno no resiste los empujes horizontales; a la derecha, sí (Jurado, 2016).
En el caso de un puente pórtico biarticulado, la deformación es similar a la de una viga continua con tres vanos. El vano central corresponde a la longitud del pórtico, mientras que las luces de los vanos laterales representan la altura de las pilas. Se puede imaginar como si el pórtico se hubiera dividido en una viga recta, apoyada en los puntos de unión entre la viga y la pila, en los extremos y sometida a la carga presente en el vano central. En este tipo de puente se producen interacciones constantes entre el suelo y la estructura, similares a las de los puentes en arco. A medida que el puente es más pequeño, estas interacciones son más importantes.
MANTEROLA, J. (2006). Puentes II.Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Colección Escuelas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.
Figura 1. Gran Puente de Akashi Kaikyō, el puente colgante de mayor vano del mundo. Wikipedia.
El sistema de construcción de puentes colgantes condiciona directamente su comportamiento estructural, ya que la estructura evoluciona progresivamente hasta alcanzar su configuración definitiva. La secuencia de ejecución se organiza en varias fases: construcción de cimientos, anclajes y torres, tendido de cables principales, instalación de péndolas o tirantes verticales y montaje del tablero suspendido. A lo largo de este proceso, el sistema resistente atraviesa estados intermedios en los que no responde al esquema final, pasando de configuraciones parcialmente autoportantes a un sistema en el que los cables principales adoptan una directriz de catenaria que transmite las cargas hacia las torres y los anclajes. Por este motivo, resulta necesario un análisis detallado de las fases constructivas, junto con un control riguroso de las tensiones y deformaciones en cada etapa.
En las primeras fases, la construcción suele iniciarse con la ejecución de los anclajes y de las torres. Los anclajes implican importantes trabajos de movimiento de tierras y se materializan, en general, mediante macizos de hormigón armado de gran volumen, diseñados para resistir las fuerzas horizontales de tracción de los cables principales mediante su peso propio y la interacción con el terreno. A continuación, se construyen las torres o mástiles, que pueden ser de acero o de hormigón, lo que introduce condicionantes específicos asociados a la ejecución en altura. En torres metálicas, el montaje se realiza mediante módulos prefabricados unidos por soldadura o por tornillos de alta resistencia, y los módulos se izan mediante grúas trepadoras ancladas a la propia torre. En torres de hormigón, se emplean encofrados trepadores o deslizantes. En ambos casos, es necesario prever medios auxiliares capaces de elevar cargas de gran peso a cotas elevadas, siendo habitual que las grúas crezcan solidariamente con la estructura. De forma simultánea, se deben controlar las tolerancias geométricas, la verticalidad y los efectos del viento, particularmente relevantes en elementos esbeltos.
Según el sistema de anclaje, la secuencia constructiva difiere significativamente. Cuando los cables se anclan externamente, los contrapesos resultan necesarios y constituyen un elemento fundamental del sistema, ya que permiten transmitir las fuerzas de tracción a los macizos de anclaje. La ejecución de estos sistemas requiere una colocación precisa de los dispositivos metálicos de anclaje, garantizando una adecuada transferencia de esfuerzos y evitando concentraciones de tensiones o deslizamientos. Desde el punto de vista resistente, el conjunto puede interpretarse como un sistema equivalente a un arco invertido que actúa a tracción. En cambio, en los puentes colgantes autoanclados, los cables principales se fijan al propio tablero, lo que elimina la necesidad de contrapesos. En este caso, el tablero pasa a ser el primer elemento a construir, lo que obliga a disponer de estructuras auxiliares provisionales que aseguren su estabilidad hasta el cierre del sistema estructural. Esta configuración implica la pérdida de la posibilidad de construir el tablero por etapas, independientemente de su posición definitiva, lo que condiciona el proceso constructivo.
Una vez completadas las torres y los anclajes, se inicia el montaje de los cables principales, que constituyen el elemento resistente fundamental del puente colgante y cuya correcta ejecución condiciona la geometría final y la distribución de esfuerzos en servicio. Estos cables están formados por miles de alambres de acero galvanizado de alta resistencia, agrupados para trabajar conjuntamente a tracción, siendo determinante la precisión en su trazado geométrico.
El proceso comienza con el tendido de un cable guía que conecta los anclajes entre sí y atraviesa las torres. Tradicionalmente, este cable se disponía mediante embarcaciones en zonas navegables; en la práctica actual, se emplean helicópteros o drones, lo que permite su instalación en emplazamientos de difícil acceso. Este cable guía sirve de soporte para las operaciones posteriores y define la dirección geométrica del cable principal.
A continuación, se instalan las pasarelas de servicio o catwalks, que permiten el acceso continuo a lo largo del vano. En estas pasarelas se monta el cableado mediante dos procedimientos principales. El primero es el método de devanado aéreo o air spinning, en el que los alambres individuales se transportan mediante un carro móvil que recorre repetidamente la distancia entre anclajes, acumulándose progresivamente hasta formar el cable. El segundo es el método de cordones paralelos prefabricados (PPWS), en el que se colocan directamente haces de alambres previamente fabricados en el taller. El método air spinning permite un control preciso del número y la distribución de alambres, mientras que el sistema de cordones prefabricados reduce los tiempos de ejecución en obra.
Una vez completado el montaje de los alambres o cordones, el cable se somete a un proceso de compactación mediante prensas hidráulicas hasta obtener una sección aproximadamente circular. Posteriormente, se recubre con alambre helicoidal y se aplican sistemas de protección frente a la corrosión, como pinturas o envolventes estancas. Estas operaciones permiten mejorar la densidad del cable, reducir los vacíos internos y optimizar su comportamiento frente a las acciones aerodinámicas y a los fenómenos de fatiga..
Figura 2. Montaje de cables en un puente colgante. https://www.ihi.co.jp/iis/en/technology/airspining/index.html
Durante la ejecución de los cables principales, el viento constituye la acción más condicionante, ya que puede provocar desplazamientos transversales en los carros de tendido y en las plataformas de trabajo. Por ello, se emplean sistemas de arriostramiento provisional y amortiguadores, estableciéndose límites operativos en función de la velocidad del viento que pueden obligar a la suspensión temporal de los trabajos.
Una vez finalizados los cables principales, se instalan las péndolas mediante dispositivos de fijación denominados cable bands, que se colocan en posiciones previamente definidas a lo largo de los cables. Cada péndola se dimensiona y ajusta a una longitud específica para garantizar la correcta rasante del tablero y la adecuada distribución de cargas en el sistema de suspensión.
En lo relativo al montaje del tablero, este puede realizarse mediante distintos procedimientos. Uno de los más habituales consiste en el avance mediante voladizos sucesivos, desarrollados de forma simétrica desde las torres hacia el centro del vano y hacia los extremos. Este método requiere el uso de grúas situadas sobre el tablero ya construido, capaces de izar dovelas de distintos tamaños; dichas grúas suelen desplazarse sobre carriles provisionales dispuestos sobre el propio tablero en construcción.
De forma alternativa, las dovelas pueden transportarse por flotación hasta su posición definitiva y elevarse mediante cabrestantes suspendidos de los cables principales, quedando finalmente colgadas mediante las péndolas. Este procedimiento suele presentar ventajas económicas y, en este caso, se ejecuta desde el centro del vano hacia las torres, manteniendo una secuencia simétrica. La elección del método depende de factores como la navegabilidad del entorno, las condiciones logísticas, la altura libre requerida o la disponibilidad de medios auxiliares.
Una vez finalizado el montaje estructural, se desarrolla una fase de ajuste y comprobación en la que se controlan las tensiones de los cables, la nivelación del tablero y la geometría de la catenaria. Estas operaciones pueden implicar el reajuste de las longitudes de las péndolas o la redistribución de tensiones en el sistema de suspensión. De forma complementaria, se realizan pruebas de carga estática y dinámica para verificar el comportamiento global de la estructura antes de su puesta en servicio y contrastar los resultados con los modelos de cálculo empleados en el proyecto.
El mantenimiento del puente se inicia desde su puesta en servicio. Los cables principales, las péndolas y los anclajes están sometidos a esfuerzos continuos y a la acción de agentes ambientales agresivos, lo que exige inspecciones periódicas. Las operaciones habituales incluyen la limpieza y repintado de los cables, el control de la corrosión, la sustitución de péndolas o alambres deteriorados y la supervisión del comportamiento aerodinámico frente al viento. En estructuras de gran luz, es frecuente la implantación de sistemas de monitorización estructural que permiten registrar variables como tensiones, deformaciones y vibraciones en tiempo real.
En este contexto, la durabilidad del puente depende de la eficacia de las estrategias de mantenimiento y de los sistemas de protección frente a la corrosión. Una planificación adecuada de estas actuaciones permite alcanzar vidas útiles superiores a los cien años, mantener condiciones de servicio adecuadas y limitar la necesidad de intervenciones estructurales de gran envergadura.
MANTEROLA, J. (2006). Puentes II.Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Colección Escuelas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.
Mehrdad Hadizadeb-Bazaz, junto al trabajo galardonado.
Quisiera felicitar públicamente a nuestro estudiante de doctorado, Mehrdad Hadizadeb-Bazaz, por el Premio al mejor trabajo en la modalidad de póster, otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, en el VIII Encuentro de Estudiantes de Doctorado. Tengo el honor y el placer de dirigir su tesis doctoral junto con el profesor Ignacio J. Navarro. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación HYDELIFE, que dirijo como investigador principal.
En la actualidad, debido a los altos costos de construir grandes estructuras como puentes, resulta sumamente importante prestar atención a la reparación y mantenimiento de dichas estructuras, con el fin de aumentar su vida útil y utilizar los métodos adecuados para reducir los costos asociados a su mantenimiento y reparación. En este sentido, resulta crucial emplear métodos apropiados y no destructivos para diagnosticar y predecir los daños en estas estructuras. Además, es importante considerar la evaluación del ciclo de vida y la sostenibilidad de los distintos métodos de detección de daños.
En este estudio, se examina la precisión de diversos métodos de detección de daños, tanto dinámicos como no destructivos, para identificar la magnitud, la ubicación y el momento en que se produce el daño en la estructura a lo largo de su vida útil. Se evalúan la precisión y las posibles variaciones de cada uno de los métodos de detección de daños en distintos entornos, especialmente en entornos costeros y agresivos. Además, se realiza una evaluación del desempeño y la comparación de diferentes métodos de detección de daños no destructivos, teniendo en cuenta los casos de sostenibilidad de diseño y la evaluación del ciclo de vida, incluyendo aspectos económicos, ambientales e impactos sociales.
Os dejo el póster completo para que lo podáis leer.
Hoy, 13 de enero de 2023, ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Zhi Wu Zhou titulada “Life cycle optimization analysis of bridge sustainable development“, dirigida por Víctor Yepes Piqueras y Julián Alcalá González. La tesis recibió la máxima calificación de sobresaliente “cum laude”. Presentamos a continuación un breve resumen de la misma.
Resumen:
En el núcleo de la industria mundial de la construcción radica el uso excesivo de materiales, especialmente de combustibles fósiles. En esta línea de investigación, muchos investigadores y diseñadores han reducido significativamente la proporción de materiales y han minimizado la cantidad destinada al diseño en función de los criterios de investigación y las especificaciones de diseño. Teniendo en cuenta que las medidas anteriores pueden reducir los materiales de manera efectiva, es necesario investigar más a fondo algunas cuestiones: a) ¿En qué etapas del ciclo de vida de los materiales de construcción se consumen más?, b) ¿Cómo utilizar el método científico más adecuado para reducir el consumo de materiales en la fase de mayor uso?, c) ¿Cómo completar científicamente la evaluación de la optimización del consumo de materiales bajo la influencia de la superación de muchos eventos discretos y factores de influencia externos durante la etapa de diseño?, d) En la fase de construcción, ¿cómo optimizar al máximo el proceso de gestión del proyecto y lograr el mayor ahorro de material para garantizar la calidad, la seguridad y el coste?, e) ¿Cuánto material se puede ahorrar mediante la optimización del diseño y la gestión del proyecto?, f) ¿Cuál es el impacto final del sistema teórico de investigación y de los datos de análisis mencionados en el desarrollo sostenible de la industria de la construcción?
Al examinar publicaciones relevantes sobre el ciclo de vida completo de la industria de la construcción (Capítulo 2), la tesis encontró que las etapas de diseño y construcción son clave para reducir de manera efectiva el consumo de materiales. El objetivo principal de esta tesis es resolver los problemas de optimización propuestos. Mediante el establecimiento de un marco de modelo de investigación multidimensional y un modelo de optimización de gestión de proyectos sistemático, la tesis reduce el peso de varios componentes estructurales del puente estáticamente indeterminado y realiza la optimización ligera de la estructura del puente.
La tesis establece varios modelos teóricos básicos de innovación en el marco del modelo de investigación: el modelo de acoplamiento bibliométrico, el modelo matemático ComplexPlot, el modelo matemático integral multifactorial, el modelo de optimización de acoplamiento micro y macrodimensional de elementos finitos, y el modelo de evaluación de optimización de la gestión de proyectos dominó del método de la entropía. El sistema de investigación teórica supera la interferencia de la discreción del objeto de investigación, la complejidad y los factores de influencia inciertos y analiza la solidez de la evaluación y la mejora. El sistema de investigación teórica supera la interferencia de la discreción del objeto de investigación, la complejidad y los factores de influencia inciertos y consigue la solidez de la evaluación y la mejora. Asimismo, mejora ampliamente la resistencia del modelo a los factores naturales, humanos, accidentales e inciertos y el problema de la interferencia externa de las emergencias. Por último, el sistema formó un conjunto completo de modelos maduros de optimización conjunta para la prevención y el control, y alcanzó los objetivos y enfoques de la investigación.
El estudio de caso demuestra la solidez del sistema del modelo teórico establecido, que reduce el coste del ciclo de vida (LCC) = 1.081.248,68 yuanes chinos (CNY); evaluación del ciclo de vida (LCA) = 212.566,94 toneladas (t); evaluación del impacto social (SIA) = 17.783.505,12 horas de riesgo medio (Mrh) del análisis del estudio de impacto económico. Reducción del coste del ciclo de vida (LCC) = 739.612,19 yuanes chinos (CNY); Evaluación del ciclo de vida (LCA) = 278.455,12 toneladas (t); Evaluación del impacto social (SIA) = 23.262.239,52 horas de riesgo medio (Mrh) del análisis del impacto en el desarrollo sostenible. Las preguntas planteadas en esta tesis están correctamente formuladas desde la perspectiva teórica y están sólidamente respaldadas por los datos.
El valor de la investigación de esta tesis: a) llena el vacío de investigación en este campo. b) innova en una variedad de nuevos modelos teóricos de investigación. c) resuelve los problemas de discreción, incertidumbre e interferencia de factores externos en la optimización de la topología y la optimización de la gestión de proyectos. Las interferencias entre los factores externos de mutación y la sensibilidad a las emergencias se compensan y se corrigen. d) La investigación mejora la captura de datos discretos y la escasez de compensación del sistema de análisis de software Monte Carlo. En esta tesis, se aplican varios tipos de métodos avanzados de gestión de proyectos y esquemas de construcción avanzados en el caso de estudio, lo que proporciona un importante valor de referencia para la optimización de puentes estáticamente indeterminados del mismo tipo. Hay algunas dificultades para los lectores sin experiencia práctica para comprender y aplicar el modelo. El lector debe leer atentamente este caso, que también constituye una de las limitaciones de este trabajo.
La futura dirección de la investigación del autor es continuar investigando en profundidad el desarrollo sostenible de los puentes de gran tamaño, la optimización de la prevención de problemas, los materiales avanzados y la recuperación de energía renovable en el desarrollo sostenible de los puentes y otros campos.
ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Research on the optimized environment of large bridges based on multi-constraint coupling.Environmental Impact Assessment Review, 97:106914. DOI:10.1016/j.eiar.2022.106914
ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Regional sustainable development impact through sustainable bridge optimization. Structures, 41, 1061-1076. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.05.047
Con motivo de la celebración del XXXIX Congreso Sudamericano de Ingeniería Estructural JSAEE 2022, fui invitado a impartir una conferencia titulada «Diseño y mantenimiento sostenible de estructuras y puentes considerando su ciclo de vida«. En esta conferencia explico lo que nuestro grupo de investigación está realizando en proyectos como DIMALIFE y HYDELIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Espero que os sea de interés.
La conferencia del profesor Víctor Yepes aborda la integración de la sostenibilidad en el diseño y el mantenimiento de estructuras y puentes, enfatizando la necesidad de considerar todo el ciclo de vida. Yepes, catedrático de Ingeniería de la Construcción en la Universitat Politècnica de València, argumenta que se requiere un cambio de paradigma respecto a las prácticas tradicionales. Destaca la importancia económica, social y ambiental del sector de la construcción y presenta la optimización, especialmente mediante la Inteligencia Artificial (IA) y las metaheurísticas, como una herramienta clave para lograr diseños más eficientes y sostenibles. Explora la complejidad de la optimización combinatoria en ingeniería estructural y las limitaciones de los métodos de resolución exactos. Presenta la optimización multiobjetivo y la frontera de Pareto como herramientas para evaluar soluciones que consideran múltiples criterios (coste, sostenibilidad, fiabilidad, etc.). Introduce el concepto de metamodelos y de Smart Data como alternativas para optimizar con menos datos y recursos computacionales. Finalmente, enfatiza la necesidad de integrar el análisis del ciclo de vida y la toma de decisiones multicriterio para una gestión sostenible de los activos, señalando los desafíos de la evaluación social y de la variabilidad.
Glosario de términos clave:
Sostenibilidad: En el contexto de la ingeniería, se refiere a la capacidad de diseñar, construir y mantener estructuras de manera que se satisfagan las necesidades actuales sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades, considerando las dimensiones económicas, sociales y ambientales.
Ciclo de Vida (Life Cycle): El período completo desde la concepción de una estructura hasta su demolición y disposición final, incluyendo el diseño, la construcción, el uso, el mantenimiento, la reparación y el fin de vida útil.
Optimización: Proceso de encontrar la mejor solución posible a un problema, generalmente minimizando o maximizando una función objetivo (como coste, emisiones, etc.) sujeta a un conjunto de restricciones (como requisitos estructurales o geométricos).
Inteligencia Artificial (IA): Sistemas informáticos diseñados para realizar tareas que normalmente requieren inteligencia humana, como aprendizaje, resolución de problemas y toma de decisiones.
Metaheurística: Algoritmo o técnica que guía un proceso de búsqueda para encontrar soluciones aproximadamente óptimas a problemas complejos, a menudo inspirados en procesos naturales o biológicos (p. ej., algoritmos genéticos).
Optimización Combinatoria: Tipo de optimización en la que las variables de decisión son discretas (adquieren valores de un conjunto finito), lo que a menudo da lugar a un gran número de posibles soluciones.
Función Objetivo: La medida de rendimiento o criterio que se busca optimizar en un problema de optimización (p. ej., minimizar el coste, maximizar la durabilidad).
Restricciones: Condiciones o limitaciones que deben cumplirse en un problema de optimización (ej: límites de deformación, resistencia mínima).
Frontera de Pareto: En optimización multiobjetivo, es el conjunto de soluciones óptimas no dominadas, en el que no es posible mejorar un objetivo sin empeorar al menos otro.
Metamodelo (o Modelo Subrogado): Un modelo simplificado (a menudo, una función matemática o un modelo de aprendizaje automático) que aproxima la relación entre las variables de entrada y de salida de un modelo más complejo, utilizado para acelerar la optimización o el análisis.
Smart Data: En contraste con Big Data, se refiere a la extracción de información útil y de patrones a partir de conjuntos de datos más pequeños o selectivos, a menudo mediante técnicas estadísticas o de modelado avanzado (como Kriging).
Análisis del Ciclo de Vida (ACV o LCA): Metodología para evaluar los impactos ambientales, sociales y económicos asociados a todas las etapas del ciclo de vida de un producto o servicio.
Toma de Decisión Multicriterio (MCDM): Conjunto de técnicas para evaluar y seleccionar entre alternativas que involucran múltiples criterios de evaluación, a menudo contrapuestos.
Gestión de Activos: En el contexto de infraestructuras, es el enfoque sistemático y estratégico para gestionar el ciclo de vida completo de los activos (como puentes o carreteras) con el objetivo de optimizar su rendimiento, coste y riesgo.
Fiabilidad: La probabilidad de que una estructura cumpla con sus requisitos de rendimiento bajo condiciones específicas durante un período de tiempo determinado.
Gemelo Digital (Digital Twin): Una representación virtual de una estructura o sistema físico que se actualiza con datos en tiempo real de sensores, permitiendo monitorización, análisis y predicción de su comportamiento a lo largo del tiempo.
Acaban de publicarnos un artículo en Sustainability, revista indexada en el segundo cuartil del JCR. Se trata de aplicar la técnica de toma de decisiones en red ANP para evaluar la sostenibilidad del ciclo de vida de los puentes de hormigón en las regiones costeras. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación HYDELIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
Desde que se establecieron los Objetivos de Desarrollo Sostenible en 2015, la evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras ha estado en el punto de mira de la comunidad científica. Esto se debe a que el sector de la construcción es esencial para promover el bienestar social y el desarrollo económico de los países, pero también es uno de los principales generadores de estrés ambiental. Sin embargo, la evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras a lo largo de su ciclo de vida sigue siendo un reto importante, pues los criterios que intervienen en el diseño sostenible suelen ser complejos y contradictorios. El Proceso Analítico en Red (ANP) es una poderosa herramienta de toma de decisiones para modelar tales problemas. En este caso, se evalúa la sostenibilidad del ciclo de vida de diferentes alternativas de puentes de hormigón en un ambiente costero mediante el ANP. Los resultados obtenidos se comparan con los del Proceso Analítico Jerárquico (AHP) convencional. Los resultados obtenidos mediante ANP son más fiables que los del AHP en términos de consistencia de los expertos y de número de comparaciones realizadas.
Abstract:
Since the establishment of the Sustainable Development Goals in 2015, the assessment of the sustainability performance of existing and future infrastructure has been in the spotlight of the scientific community. This is because the construction sector is essential for promoting social welfare and economic development, but is also one of the main environmental stressors to date. However, assessing infrastructure sustainability throughout its life cycle remains a significant challenge, as the criteria involved in sustainable design are often complex and conflicting. The Analytic Network Process (ANP) is recognized as a powerful decision-making tool to model such problems. Here, the life cycle sustainability performance of different design alternatives for a concrete bridge near the shore is evaluated using ANP. The obtained results are compared with those obtained using the conventional Analytical Hierarchy Process (AHP). The results obtained using ANP are more reliable than those derived from the conventional AHP in terms of the expert’s consistency and the number of comparisons made.
Keywords:
Sustainability; Analytic Network Process; bridge design; life cycle assessment; TOPSIS; multi-criteria decision making
En todos los problemas estructurales existe una variabilidad o incertidumbre asociada. En el diseño de estructuras hay parámetros de diseño como las dimensiones de la estructura, las características mecánicas de los materiales o las cargas de diseño que pueden tener variaciones respecto al valor de diseño. Lo mismo ocurre a la hora de valorar una función objetivo asociada la estructura. Por un lado, a la hora de diseñar una estructura, el valor nominal utilizado es aquel que tiene una baja probabilidad de ocurrir (por ejemplo, la resistencia característica del hormigón es aquella que tiene una probabilidad del 5% de fallo). Además, se asignan coeficientes de seguridad asociados a una probabilidad de fallo determinada. Por otro lado, a la hora de valorar una función objetivo, como el coste o algún impacto medioambiental, el valor unitario de esta función suele ser la media. Dado este enfoque, la optimización estructural se convierte en una optimización determinista que desprecia los efectos de la incertidumbre asociada. Esto significa que la estructura tiene un comportamiento óptimo solo bajo las condiciones definidas inicialmente, pudiendo la respuesta variar significativamente cuando los valores se alejan de los valores de diseño.
A continuación os dejo una comunicación que presentamos en el 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, que se celebró del 23 al 25 de octubre de 2019 en Alicante (España). Se trata de la optimización de un puente de sección en cajón de hormigón postesado utilizando un metamodelo tipo Krigring.
Abstract:
All the structural problems have an associated variability or uncertainty. In the design of structures, there are parameters such as the dimensions of the structure, the mechanical characteristics of the materials, or the loads that can have variations concerning the design value. The goal of robust design optimization is to obtain the optimum design and be less sensitive to variations of these uncertain initial parameters. The main limitation of the robust design optimization is the high computational cost required due to the high number of optimizations that must be made to assess the sensitivity of the objective response of the problem. For this reason, the kriging model is applied to carry out the optimization process more efficiently. This work will apply robust design optimization to a continuous pedestrian bridge of prestressed concrete and box sections.
YEPES, V.; PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2019). Aplicación de optimización Kriging para la búsqueda de estructuras óptimas robustas. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain, pp. 81-94. ISBN: 978–84–17924–58–4
Acaban de publicarnos un artículo en Journal of Civil Engineering and Management, revista indexada en el primer cuartil del JCR. El artículo propone un procedimiento para evaluar la huella de carbono en la construcción de un puente basándose en la teoría de la resiliencia. La investigación proporciona modelos teóricos y datos sobre los impactos de la resiliencia ambiental y los modelos de gestión de la resiliencia de los proyectos, lo que contribuye al control dinámico y a la evaluación del desarrollo sostenible de las estructuras de puentes a gran escala en el futuro. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
