Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)
En artículos anteriores ya presentamos el resumen, la justificación y las hipótesis de partida del proyecto de investigación RESILIFE: Optimización resiliente del ciclo de vida de estructuras híbridas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo condiciones extremas, del cual soy investigador principal junto con el profesor Julián Alcalá. En este artículo expondremos los objetivos generales y específicos del proyecto.
El objetivo general consiste en afrontar el reto social y ambiental que supone el proyecto, el mantenimiento y la reparación de estructuras híbridas y MMC frente a situaciones extremas, mediante la optimización de los problemas complejos planteados en el ámbito de las decisiones públicas y privadas. Para alcanzar este objetivo, es necesario avanzar en la ciencia, integrando a diversos actores y grupos de expertos en la toma de decisiones, con el fin de incorporar criterios de sostenibilidad social y ambiental a lo largo de todo el ciclo de vida de las estructuras, considerando la variabilidad inherente al mundo real. Para abordar las incertidumbres que afectan al sistema, se propone aplicar metamodelos y metaheurísticas híbridas basadas en la fiabilidad. Estas se aplicarán no solo al diseño de nuevas estructuras, sino también al mantenimiento y la reparación de las existentes. Un análisis de sensibilidad de los escenarios presupuestarios y de las hipótesis de los inventarios del ciclo de vida proporcionará conocimientos significativos sobre las mejores prácticas. Cabe destacar que esta metodología podrá adaptarse a otros tipos de infraestructuras.
El objetivo general se desarrollará mediante los objetivos específicos mostrados en la Figura 2 y que se describen a continuación, de los cuales serán responsables los investigadores principales:
• OE-1: Análisis de las funciones de distribución de eventos extremos para el diseño óptimo basado en la fiabilidad que integre aspectos ambientales, sociales y económicos en la toma de decisiones multicriterio.
• OE-2: Cuantificación de la resiliencia de las estructuras ante múltiples amenazas, con el fin de garantizar la integración de la sostenibilidad en el diseño, el mantenimiento y la reparación de estructuras híbridas de acero y modulares.
• OE-3: Identificación de estrategias robustas y óptimas de reparación y mantenimiento para el óptimo mantenimiento de estructuras híbridas de acero y modulares resilientes.
• OE-4: Formulación y resolución del problema de optimización multiobjetivo que contemple el ciclo completo de estructuras híbridas de acero y modulares mediante metaheurísticas híbridas.
• OE-5: Comparación de las estructuras y los sistemas en términos de su resiliencia frente a la optimización heurística, teniendo en cuenta las incertidumbres presupuestarias a lo largo de su ciclo de vida.
• OE-6: Difusión de resultados y redacción de informes.
Figura 2. Objetivos específicos del proyecto RESILIFE
ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón). Universitat Politècnica de València
En artículos anteriores ya presentamos un resumen y la justificación del proyecto de investigación RESILIFE: Optimización resiliente del ciclo de vida de estructuras híbridas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo condiciones extremas, del cual soy investigador principal junto con el profesor Julián Alcalá. En este artículo justificaremos las hipótesis de partida del proyecto.
La hipótesis principal de partida de RESILIFE es que un diseño óptimo y una construcción con estructuras híbridas basadas en los modernos métodos de construcción (MMC) son efectivos desde el punto de vista social y ambiental y resilientes ante eventos extremos. La novedad radica en el uso de la inteligencia artificial para optimizar la resiliencia y la sostenibilidad, con el fin de hacer frente a eventos extremos y evitar el colapso progresivo, protegiendo así la vida y la economía. De hecho, las estructuras híbridas de acero y las estructuras modulares son tipologías con elevadas posibilidades de generación de conocimiento (Sánchez-Garrido et al., 2023; Terreros-Bedoya et al., 2023). Además, existe un déficit de investigaciones que incorporen metaheurísticas híbridas emergentes y el aprendizaje profundo (deep learning, DL) en la optimización multiobjetivo resiliente de este tipo de estructuras. Estas técnicas extraen información no trivial de las inmensas bases de datos resultantes de la optimización y mejoran la calidad y el tiempo de cálculo. Otra novedad en este proyecto es el uso de la teoría de juegos en la optimización multiobjetivo, empleada en la última tesis doctoral del grupo. Con esta propuesta metodológica se pretende abordar las incertidumbres del mundo real, planteando la optimización resiliente basada en la fiabilidad y en diseños robustos. Esta hipótesis debe extenderse a la toma de decisiones multicriterio que atienda a la sostenibilidad social y ambiental del ciclo de vida completo, que contemple las fluctuaciones tanto de los parámetros como de los escenarios posibles, especialmente con fuertes restricciones presupuestarias. La resolución del problema planteado presenta serias dificultades, por lo que se deben explorar metamodelos y DL capaces de acelerar el cálculo (Negrín et al., 2023).
Para alcanzar los objetivos del proyecto se basan en determinadas hipótesis:
Hipótesis 1: Es rentable diseñar estructuras innovadoras, resilientes y robustas frente a eventos extremos, que puedan repararse cuando se optimicen a lo largo de su ciclo de vida.
Hipótesis 2: Las estructuras modulares permiten instaurar o restaurar infraestructuras rápidamente tras un evento extremo y son eficientes en términos sociales y ambientales.
Hipótesis 3: Las estructuras de acero híbridas mejoran las prestaciones de las estructuras de acero convencionales, mejorando la resiliencia ante eventos extremos, con niveles óptimos de sostenibilidad.
Hipótesis 4: Las metaheurísticas mejoran la calidad de las soluciones y reducen el tiempo de cálculo al combinarse con el aprendizaje profundo (DL).
Hipótesis 5: La optimización multiobjetivo de las estructuras híbridas de acero reduce los impactos sociales y ambientales a lo largo del ciclo de vida, y la teoría de juegos es una técnica efectiva.
Hipótesis 6: La optimización multiobjetivo puede dar lugar a soluciones inviables ante pequeñas variaciones en los parámetros o en las restricciones.
Hipótesis 7: Tanto el diseño óptimo basado en la fiabilidad como el diseño óptimo robusto conducen a soluciones menos sensibles a la variabilidad y a los cambios en los escenarios (especialmente presupuestarios), pero se basan en funciones de probabilidad poco realistas debido a la falta de datos.
Hipótesis 8: Es posible utilizar metamodelos y DL en el diseño óptimo robusto y en el diseño basado en fiabilidad para el proyecto y para el mantenimiento de estructuras híbridas y modulares.
Hipótesis 9: Las soluciones de mantenimiento óptimas de estructuras híbridas y modulares difieren si el análisis del ciclo de vida se incluye o no en la fase de proyecto.
Hipótesis 10: Dado un horizonte temporal para una estructura, es posible encontrar un diseño y una gestión posteriores de dicho activo que mejoren otras alternativas, incluso con presupuestos restrictivos.
Hipótesis 11: Las medidas de proyecto y preventivas derivadas de un sistema de apoyo a la toma de decisiones son preferibles a la reparación severa de las estructuras por su menor coste social y ambiental. La dimensión social incluye la integración del análisis de género en la investigación (IAGI).
Hipótesis 12: Es posible identificar buenas prácticas para el diseño, la conservación, el mantenimiento y el desmantelamiento de estructuras híbridas y modulares robustas frente a cambios presupuestarios y resilientes ante eventos extremos.
Referencias
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Laboratorio de materiales del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)
En un artículo anterior ya presentamos un resumen del proyecto de investigación RESILIFE: Optimización resiliente del ciclo de vida de estructuras híbridas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo condiciones extremas, del cual soy investigador principal junto con el profesor Julián Alcalá. En este artículo justificaremos brevemente la necesidad de este proyecto.
Entre 2003 y 2013, diversos desastres naturales (terremotos, tsunamis, tifones, deslizamientos e inundaciones) y provocados por el ser humano (explosiones, vertidos o impactos) ocasionaron más de 1,1 millones de muertes, afectaron a más de 2000 millones de personas y provocaron pérdidas estimadas en 1,5 billones de dólares (Hao y Li, 2019). Estos eventos, que siguen presentes en los últimos años, resaltan la urgencia de desarrollar estructuras resilientes, sostenibles y de alto rendimiento que protejan la vida y la economía. Además, los eventos extremos requieren adaptaciones eficaces y económicas en el diseño, construcción, reparación y mantenimiento de infraestructuras, lo que impulsa la investigación en construcción sostenible para reducir la huella de carbono y otros impactos.
Los eventos extremos, junto con errores de diseño y construcción, y la falta de mantenimiento, suelen provocar daños estructurales locales que pueden desencadenar el colapso progresivo del edificio (Adam et al., 2018). Caredda et al. (2013) determinaron que este tipo de colapso se debió a errores de construcción y diseño en el 65 % de los casos estudiados. Algunos eventos han demostrado que las intervenciones preventivas locales pueden salvar tanto vidas de usuarios como infraestructuras, lo que resalta la importancia del mantenimiento. La falta de eficacia en las reparaciones de hormigón es uno de los principales problemas de la ingeniería estructural. En Europa, solo el 50 % de las operaciones de restauración en edificaciones de hormigón son efectivas, a pesar de que la rehabilitación representa casi la mitad de las inversiones en construcción (Borghese et al., 2023).
El crecimiento económico, el aumento de la población y de la urbanización, así como el calentamiento global y el agotamiento de los recursos naturales implican que la construcción de estructuras deba considerar la sostenibilidad, la durabilidad y una gestión inteligente del ciclo de vida, además de la seguridad, el rendimiento y la resiliencia. Para ello, es necesario emplear materiales sostenibles y residuos industriales en la construcción; nuevas formas y diseños estructurales para controlar las vibraciones y mitigar los efectos de las cargas; tecnologías de prefabricación innovadoras mediante impresión 3D y construcción modular para minimizar las interrupciones en la obra y mejorar el control de calidad; así como nuevos conceptos de diseño y construcción, estructuras desplegables y estructuras de sacrificio para mejorar la resiliencia y la resistencia a cargas extremas.
La recuperación de estructuras dañadas implica la utilización de recursos y la emisión de emisiones considerables. Por tanto, el diseño y la construcción de estructuras deben enfocarse en la sostenibilidad, la durabilidad, la resistencia múltiple, la resiliencia y la monitorización inteligente del ciclo de vida. Este enfoque es esencial para cumplir los ODS de las Naciones Unidas y abordar los desafíos climáticos y ambientales.
No obstante, la modernización de las infraestructuras conlleva un coste prohibitivo, lo que resalta la necesidad de asignar eficazmente los recursos presupuestarios limitados. Ante la complejidad de este desafío, se plantean propuestas de optimización resiliente para facilitar la toma de decisiones considerando la aleatoriedad e incertidumbres inherentes. Por ejemplo, esto se aplica a las redes eléctricas, donde los apagones derivados de condiciones meteorológicas adversas generaron costes anuales de entre 18 000 y 33 000 millones de dólares entre 2003 y 2012 (Yuan et al., 2015).
Una estructura resiliente bien diseñada puede no requerir reparación o bien puede recuperarse con reparaciones menores después de un evento extremo, como puede ser el caso de puentes con resiliencia sísmica (Dong et al., 2022). Guaygua et al. (2023) revelaron una correlación entre los edificios prefabricados y aspectos como las conexiones secas, la disipación de energía, el diseño óptimo y el colapso progresivo. Los últimos avances en estructuras industrializadas se centran en mejorar las uniones de las estructuras prefabricadas, que son los puntos más vulnerables ante los sismos. De este modo, se están construyendo edificios que, mediante ingeniosos métodos de disipación de energía, equiparan sus prestaciones y seguridad a las de las estructuras tradicionales sancionadas por la práctica. Sánchez-Garrido et al. (2023) detectan lagunas en la investigación, incluida la necesidad de aplicar más las estructuras innovadoras basadas en métodos modernos de construcción (Modern Methods of Construction, MMC). Asimismo, resaltan la importancia de abordar la mejora del entorno construido mediante el paradigma del diseño regenerativo. Se necesita más investigación para comprender los sistemas de construcción interdependientes mediante el uso de gemelos digitales.
Las estructuras de acero se consideraban resistentes a los terremotos, pero esta percepción cambió tras los eventos de Northridge en 1994 y Kobe en 1995, que revelaron fracturas frágiles, especialmente en las conexiones viga-columna. Desde entonces, se ha explorado el uso de materiales emergentes y diseños innovadores para reducir el riesgo de fallo frágil temprano (Fang et al., 2022). Los cambios extremos de temperatura afectan a la resistencia y la rigidez de las estructuras de acero, por lo que es necesario aumentar el tamaño de la sección transversal para compensar la reducción de la rigidez y evitar fallos estructurales (Keles et al., 2024). Esta reducción de la capacidad resistente con la temperatura también se observa en las estructuras de hormigón (Tang et al., 2023). Las vigas de acero híbridas optimizan la resistencia a la flexión y al cortante, y superan a los elementos de acero homogéneos. No obstante, la investigación debe cubrir las lagunas existentes en su aplicación a estructuras complejas y en su capacidad de resistir acciones extremas (Terreros-Bedoya et al., 2023). Otra oportunidad son los materiales compuestos multifuncionales que se aplican en columnas y permiten reducir el peso y mejorar la resistencia de los edificios altos y de los entornos agresivos. Estas innovaciones superan las limitaciones de las estructuras tradicionales de acero y hormigón, así como de las tecnologías convencionales de construcción (Sojobi et al., 2023).
No obstante, no todas las estructuras pueden diseñarse para resistir cualquier evento extremo, por lo que se tiende a incrementar su funcionalidad todo lo posible. El diseño de estructuras resilientes requiere esfuerzos colaborativos e interdisciplinarios para formular nuevos enfoques y métricas que consideren el rendimiento y los aspectos funcionales posteriores al evento. Las estructuras resilientes deben contemplar su vida útil en relación con los impactos de los desastres, las reparaciones, el mantenimiento y la evolución de las acciones que se les apliquen. Actualmente no existen procedimientos explícitos para cuantificar la resiliencia de las estructuras e infraestructuras en el contexto de múltiples amenazas ni para comparar las estructuras y los sistemas en términos de su resiliencia (Khaloo y Mobini, 2016). Surge la oportunidad de implementar aspectos de la resiliencia estructural, como la funcionalidad técnico-socioeconómica, los principios de diseño basados en el riesgo probabilístico y en la resiliencia, las dependencias ambientales y los sistemas de apoyo a la toma de decisiones basados en la resiliencia. Para ello, resulta fundamental integrar el proyecto estructural en el paradigma de los modelos de información en la construcción (BIM) (Fernández-Mora et al., 2022).
Referencias
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Los desastres naturales y humanos ocasionan pérdidas humanas y económicas considerables. Las estructuras dañadas deben diseñarse para recuperar su funcionalidad lo antes posible, lo que conlleva la necesidad de recursos y emisiones significativos. Por tanto, el diseño y la construcción de estructuras deben enfocarse en la sostenibilidad, la durabilidad, la resistencia múltiple, la resiliencia y la monitorización inteligente del ciclo de vida. Los eventos extremos, junto con errores de diseño, construcción y falta de mantenimiento, suelen provocar daños estructurales locales que pueden desencadenar el colapso progresivo de las infraestructuras. RESILIFE afronta el reto social que suponen el mantenimiento y la reparación de estructuras ante situaciones extremas, mediante la optimización de los problemas complejos planteados en el ámbito de las decisiones públicas y privadas. La hipótesis de partida es que un diseño óptimo y la construcción con estructuras híbridas basadas en los modernos métodos de construcción, en especial los modulares, son efectivos desde el punto de vista social y ambiental y resilientes ante eventos extremos. El reto será incorporar mejoras en el diseño para afrontar eventos extremos y equiparar estas estructuras en prestaciones y seguridad a las tradicionales. La innovación central consiste en plantear procedimientos explícitos para cuantificar la resiliencia de las estructuras ante múltiples amenazas y comparar las estructuras y los sistemas en términos de resiliencia. Para ello, se aplicarán técnicas de inteligencia artificial para optimizar la resiliencia, lo que demostrará su eficacia en los ámbitos social y ambiental ante eventos extremos. La novedad metodológica radica en el uso de metaheurísticas híbridas emergentes y Deep Learning en la optimización multiobjetivo, así como de la teoría de juegos, con el fin de lograr la pronta recuperación de su funcionalidad, con costes sociales y ambientales reducidos, y evitar su colapso progresivo. Además, se pretende profundizar en las técnicas de decisión multicriterio emergentes, como la lógica neutrosófica y otras, como las redes bayesianas. Esto no solo mejora la calidad y la velocidad de cálculo en el diseño, el mantenimiento y la reparación de estructuras, sino que también aborda las incertidumbres del mundo real y propone una optimización resiliente basada en la fiabilidad y en diseños robustos. En este contexto, en el mundo real existen incertidumbres, imperfecciones o desviaciones respecto a los parámetros utilizados en los códigos. Una estructura óptima se encuentra cercana a la región de infactibilidad, por lo que es necesario incorporar las incertidumbres para proporcionar diseños más robustos y fiables. Por otra parte, la fuerte limitación presupuestaria en momentos de crisis compromete seriamente las políticas de creación y conservación de infraestructuras, sobre todo si se registran incrementos de costes al introducir la resiliencia en el diseño. Los resultados esperados, tras un análisis de sensibilidad de distintas políticas presupuestarias asociadas a un horizonte temporal, pretenden detallar qué tipologías, actuaciones concretas de reparación y conservación, y alternativas de demolición y reutilización resultan adecuadas para minimizar los impactos ambientales y sociales, considerando la variabilidad.
Natural and human disasters cause considerable human and economic losses. Damaged structures must be designed to recover their functionality quickly, which involves significant resources and emissions. Therefore, the design and construction of structures must focus on sustainability, durability, multiple resistance, resilience, and intelligent life-cycle monitoring. Extreme events, design and construction errors, and maintenance failures often cause local structural damage that can trigger the progressive collapse of infrastructure. RESILIFE addresses the social challenge of maintaining and repairing structures in extreme situations by optimizing the complex problems posed at the level of public and private decisions. The starting hypothesis is that optimal design and construction with hybrid structures based on modern construction methods, especially modular ones, are socially and environmentally effective and resilient to extreme events. The challenge will be to incorporate design improvements to withstand extreme events and bring these structures on par with traditional structures in terms of performance and safety. The central innovation is to develop explicit procedures for quantifying the resilience of structures under multiple hazards and for comparing structures and systems in terms of resilience. To this end, artificial intelligence techniques will be applied to optimize resilience, demonstrating their effectiveness in social and environmental terms in the face of extreme events. The methodological novelty lies in using emerging hybrid metaheuristics and Deep Learning in multi-objective optimization and game theory to achieve early recovery of its functionality with reduced social and environmental costs, avoiding its progressive collapse. In addition, it is intended to deepen emerging multi-criteria decision-making techniques, such as neutrosophic logic and Bayesian networks. This not only improves the quality and speed of computation in the design, maintenance, and repair of structures but also addresses real-world uncertainties and proposes resilient optimization grounded in reliability and robust design principles. In this context, uncertainties, imperfections, or deviations from the parameters used in the codes exist in the real world. An optimal structure is close to the infeasibility region, so it is necessary to incorporate uncertainties to achieve more robust, reliable designs. On the other hand, the strong budget constraints present in times of crisis seriously compromise infrastructure creation and maintenance policies, especially when introducing resilience into the design, as this can increase costs. After a sensitivity analysis of different budgetary policies over a time horizon, the expected results aim to detail which typologies, specific repair and conservation actions, and demolition and reuse alternatives are most effective at minimizing environmental and social impacts, accounting for variability.
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN:
Optimización resiliente del ciclo de vida de estructuras híbridas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo condiciones extremas. (RESILIFE). [Resilient life-cycle optimization of socially and environmentally efficient hybrid and modular structures under extreme conditions]. PID2023-150003OB-I00. Investigadores principales: Víctor Yepes y Julián Alcalá.
De vez en cuando se recibe una buena noticia que marca un punto de inflexión en la investigación. Es un honor para mí pertenecer al Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y a la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de Valencia. En este contexto, el equipo del catedrático José Miguel Adam ha logrado un hito al publicar un artículo en la revista de mayor impacto por excelencia: NATURE. No solo eso, sino que, además, es portada de dicha revista. Mi más sincera enhorabuena a José Miguel y a su equipo. Os paso la noticia completa.
Un equipo del Instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València (UPV) ha publicado en Nature los últimos resultados de su “radical” propuesta para conseguir edificios ultrarresistentes, que sean capaces de aguantar situaciones extremas causadas por desastres naturales –riadas, inundaciones, deslizamiento de laderas…- explosiones, su propio envejecimiento, o un mantenimiento y conservación inadecuados. Esta propuesta añade al diseño de la estructura de los edificios una última línea de defensa para evitar colapsos catastróficos.
El nuevo método se inspira en cómo los lagartos se protegen de los depredadores al liberar sus colas cuando son atacados.
Los métodos de diseño actuales se basan en mejorar la conectividad entre los componentes de la estructura. En el caso de que algún componente falle, esta conectividad permite que las cargas que soportaban los componentes que fallan se redistribuyan al resto del sistema estructural. Aunque estos métodos resultan eficaces en el caso de pequeños fallos iniciales, pueden aumentar el riesgo de colapso progresivo tras grandes fallos iniciales, conduciendo así a colapsos completos o de gran magnitud. Así sucedió, por ejemplo, en las Champlain Towers y en el derrumbe de un edificio en Peñíscola en 2021, o en la ciudad iraní de Abadan en 2022. Y esto es lo que evita la propuesta surgida del ICITECH de la UPV.
“Nuestro novedoso método de diseño proporciona una solución para superar esta alarmante limitación y conseguir edificios más resilientes, capaces de aislar el colapso a solo la parte de la estructura que ha sufrido el fallo inicial, y salvaguardar el resto del edificio. El nuevo método de diseño ha sido verificado con un ensayo sobre un edificio real. Por tanto, se trata de la primera solución contra la propagación de colapsos en edificios tras grandes fallos iniciales que ha sido probado y verificado a escala real. Con la aplicación del nuevo método de diseño se conseguirá prevenir colapsos catastróficos, protegiendo así vidas humanas y minimizando los costes materiales que supondría un colapso completo de la estructura”, destaca José M. Adam, coautor de la publicación con Nirvan Makoond, Andri Setiawan y Manuel Buitrago; todos ellos miembros del ICITECH de la UPV.
Unos “fusibles” evitan el colapso total
La clave del método ideado por el equipo de la UPV reside en usar el concepto de fusible estructural, que permite aislar las partes dañadas de un edificio con el fin de evitar la propagación de grandes fallos a toda la construcción.
“Esta nueva filosofía es parecida a la forma en que las redes eléctricas se protegen frente a sobrecargas, al conectar diferentes segmentos de la red mediante fusibles eléctricos. Con nuestros diseños, el edificio presenta continuidad estructural bajo condiciones normales de funcionamiento, pero se segmenta cuando la propagación de un fallo es inevitable, reduciendo así el alcance del colapso y evitando el derrumbe total”, apunta Nirvan Makoond.
«La implementación del método repercutirá levemente, o incluso de forma despreciable, en el coste de la estructura, ya que utiliza detalles constructivos y materiales convencionales”, señala Andri Setiawan.
En su estado de desarrollo actual, el nuevo diseño de estos investigadores se puede aplicar a prácticamente cualquier edificio de nueva construcción. “Su eficacia ha sido verificada y demostrada para edificios con estructura prefabricada de hormigón. Actualmente, trabajamos en la aplicación de la metodología a edificios ejecutados con hormigón in situ y a edificios con estructura de acero”, concluye Manuel Buitrago.
Validado en un ensayo pionero a nivel mundial
El desarrollo de este nuevo método de diseño es uno de los resultados más destacados hasta la fecha del proyecto Endure, financiado por el European Research Council – ERC (Consejo Europeo de Investigación) con una ayuda Consolidator Grant de más de 2,5 millones de euros. Fue precisamente en el marco de este proyecto donde se llevó a cabo, en junio del año pasado, un ensayo pionero a nivel mundial que permitió validar sus prestaciones. Las pruebas se hicieron con un edificio completo, a escala real, en el que un gran fallo inicial en la estructura se aisló en una parte del edificio, evitando su propagación a toda la estructura. Cabe resaltar que la investigación se lleva a cabo al 100% en la UPV, siendo los cuatro autores de la publicación investigadores también de la UPV.
Portada de Nature
Nature ha publicado el trabajo del equipo del Instituto ICITECH de la UPV en la portada de su número de hoy. Además, es la primera vez que la revista publica un artículo de investigación en el campo del diseño y construcción de edificios.
Primeros pasos gracias a un proyecto financiado por la Fundación BBVA
El germen de este proyecto surgió de una Beca Leonardo que en 2017 otorgó la Fundación BBVA a José M. Adam. Ahora, siete años más tarde, el investigador del ICITECH – UPV continua con este proyecto revolucionario, de la mano del Consejo Europeo de Investigación, que permitirá levantar edificios más seguros y salvar vidas humanas.
Endure se desarrollará hasta 2026 en el laboratorio de estructuras del ICITECH de la Universitat Politècnica de València, uno de los mayores de Europa para el ensayo de grandes elementos estructurales.
Referencia
Makoond, N., Setiawan, A., Buitrago, M. et al. Arresting failure propagation in buildings through collapse isolation. Nature 629, 592–596 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07268-5
Os dejo el vídeo y el artículo completo, pues está publicado en abierto.
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.
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 publicada el 9 de diciembre de 2018 en El País, con el siguiente titular: “Fomento admite que hay 66 puentes con graves problemas de seguridad”, suscitó 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 los tenemos en todo el mundo. En cualquier caso, estamos hablando de cifras millonarias, de cortes de tráfico, de pérdidas humanas, por poner algunas consecuencias sobre la mesa.
Los puentes son componentes críticos de la infraestructura, pues su correcto funcionamiento es básico para la resiliencia de nuestros entornos urbanos. Sin embargo, un gran número de infraestructuras están llegando al final de su vida útil al mismo tiempo. De hecho, se espera que la vida útil de muchos puentes sea menor que la proyectada debido al deterioro continuo 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, es razón más que suficiente para preocuparnos de mejorar el mantenimiento de nuestros puentes. De hecho, ya hemos comentado en un artículo anterior un concepto estrechamente relacionado con este: 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 le dan 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 se vuelve grave cuando una parte significativa del parque de infraestructuras está próxima 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, al 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 la infraestructura o las prestaciones de la infraestructura permanecen altos durante un periodo de tiempo, hasta que empiezan 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 las caídas en las prestaciones de A a B o de B a C son similares, pero la velocidad de deterioro difiere mucho. Y lo que es peor de todo, llega un momento en el que la caída de 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 están empezando a ser un problema de magnitud tal que resulta 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 prolongar 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 busca optimizar el comportamiento de la estructura mediante el aprendizaje de los datos obtenidos a lo largo de su vida útil, a partir de su monitorización (Figura 3). Estos datos sirven para actualizar los modelos y comprobar el estado en que se encuentra la estructura, lo que 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 su estado estructural y predecir su comportamiento ante determinadas circunstancias. Esta información sería clave para 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 durará 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 podría parecer a simple vista. Los gestores de infraestructuras deberían ser capaces de comprender y valorar, en su justa medida, los resultados estructurales de los modelos cuyos datos se actualizan en tiempo real. La dificultad radica en conocer no solo los datos, sino también 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 generados por los algoritmos.
Por otra parte, la modelización del riesgo y de la resiliencia es una labor necesaria para comprender la vulnerabilidad de las infraestructuras. De esta forma, seríamos capaces de desarrollar estrategias de mitigación que podrían complementar las estrategias de gestión del deterioro explicadas 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.
Figura 1. https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/2015/09/infraestructura-innovacion-e-industrias-inclusivas-claves-para-el-desarrollo/
La resiliencia es un concepto que viene del mundo de la psicología y representa la capacidad para adaptarse de forma positiva frente a situaciones adversas. Proviene del latín resilio, «volver atrás, volver de un salto, resaltar, rebotar». En el campo de la mecánica, la resiliencia sería la capacidad de un material para recuperar su forma inicial después de haber sido deformado por una fuerza. En la ecología, un sistema es resiliente si puede tolerar una perturbación sin colapsar a un estado completamente distinto, controlado por otro conjunto de procesos. En un entorno tecnológico, este término se relaciona con la capacidad de un sistema de soportar y recuperarse ante desastres y perturbaciones. En este artículo vamos a indagar en el concepto de resiliencia de las infraestructuras.
Así, dentro de los objetivos de desarrollo sostenible de Naciones Unidas (Figura 1), encontramos el Objetivo 9: Construir infraestructuras resilientes, provomer la industrialización sostenible y fomentar la innovación. En efecto, las infraestructuras deben hacer frente al crecimiento de la población, pero también a los crecientes peligros físicos (cinéticos) como el terrorismo, o los asociados al clima extremo y los desastres naturales. La frecuencia y gravedad de estos eventos extremos se prevén crecientes, y, por tanto, es más que previsible un aumento en los costes e impacto humano. Además, debido a la cada vez más informatización y digitalización de las infraestructuras, el riesgo de ataques informáticos a las infraestructuras es más que evidente.
La resiliencia puede asociarse con cuatro atributos: robustez, que es la capacidad para resistir un evento extremo sin que el fracaso en la funcionalidad sea completo; rapidez, que sería la capacidad de recuperarse de forma eficiente y efectiva; la redundancia, que sería la reserva de componentes o de sistemas estructurales sustitutivos; y el ingenio, que sería la eficiencia en la identificación de problemas, priorizando soluciones y movilizando recursos para su solución (Bruneau et al., 2003).
Matemáticamente, se puede evaluar la resiliencia integrando la curva de funcionalidad a lo largo del tiempo (ver Figura 2).
donde Q(t) es la funcionalidad; t0 es el momento en el que ocurre el evento extremo y Tr es el horizonte hasta donde se estudia la funcionalidad.
Figura 2. Valoración de la resiliencia tras un evento extremo (Anwar et al., 2019)
En la Figura 2 se pueden observar los tres estados correspondientes con la funcionalidad. En la situación de fiabilidad, la infraestructura se encuentra con la funcionalidad de referencia, previo al evento extremo. La situación de recuperación comienza tras la ocurrencia del evento extremo, con una pérdida de funcionalidad dependiente de la robustez de la infraestructura, y con una recuperación que depende de los esfuerzos realizados en la reparación, que puede ser rápida o lenta en función del ingenio o la creatividad en las soluciones propuestas, así como de la redundancia de los sistemas previstos. Por último, la situación recuperada es la que ocurre cuando la funcionalidad vuelve a ser la de referencia.
Se comprueba en la Figura 2 cómo una infraestructura pasa de una funcionalidad de referencia a una residual tras el evento extremo. Tras el evento, puede darse una demora en la recuperación de la funcionalidad debido a las tareas de inspección, rediseño, financiación, contratación, permisos, etc.). La recuperación completa de la funcionalidad depende de la forma en la que se han abordado las tareas de reparación. Es fácil verificar que la resiliencia se puede calcular integrando la curva de recuperación de la funcionalidad desde la ocurrencia del evento extremo hasta la completa recuperación, dividiendo dicho valor por el tiempo empleado en dicha recuperación.
Este modelo simplificado permite establecer las pautas para mejorar la resiliencia de una infraestructura:
a) Incrementando la robustez de la infraestructura, es decir, maximizar su funcionalidad residual tras un evento extremo.
b) Acelerando las actividades de recuperación de la funcionalidad de la infraestructura.
En ambos casos, es necesario concebir la infraestructura desde el principio con diseños robustos, con sistemas redundantes y con una previsión de las tareas de reparación necesarias.
Con todo, la capacidad de recuperación comprende cuatro dimensiones interrelacionadas: técnica, organizativa, social y económica (Bruneau et al., 2003). La dimensión técnica de la resiliencia se refiere a la capacidad de los sistemas físicos (incluidos los componentes, sus interconexiones e interacciones, y los sistemas enteros) para funcionar a niveles aceptables o deseables cuando están sujetos a los eventos extremos. La dimensión organizativa de la resiliencia se refiere a la capacidad de las organizaciones que gestionan infraestructuras críticas y tienen la responsabilidad de tomar decisiones y adoptar medidas que contribuyan a lograr la resiliencia descrita anteriormente, es decir, que ayuden a lograr una mayor solidez, redundancia, ingenio y rapidez. La dimensión social de la resiliencia consiste en medidas específicamente diseñadas para disminuir los efectos de los eventos extremos por parte de la población debido a la pérdida de infraestructuras críticas. Análogamente, la dimensión económica de la resiliencia se refiere a la capacidad de reducir tanto las pérdidas directas e indirectas de los eventos extremos.
El problema de estas cuatro dimensiones se pueden sumar de forma homogénea, con interrelaciones entre ellas. El reto consiste en cuantificar y medir la resiliencia en todas sus dimensiones, así como sus interrelaciones. Se trata de un problema de investigación de gran trascendencia y complejidad, que afecta al ciclo de vida de las infraestructuras desde el inicio de la planificación (Salas y Yepes, 2020).
Referencias:
ANWAR, G.A.; DONG, Y.; ZHAI, C. (2020). Performance-based probabilistic framework for seismic risk, resilience, and sustainability assessment of reinforced concrete structures. Advances in Structural Engineering, 23(7):1454-1457.
BRUNEAU, M.; CHANG, S.E.; EGUCHI, R.T. et al. (2003). A framework to quantitatively assess and enhance the seismic resilience of communities. Earthquake Spectra 19(4): 733–752.
De izquierda a derecha, Víctor Yepes, Montserrat Zamorano, Jorge Salas, Eugenio Pellicer y Javier Ordóñez
No es fácil obtener el Premio Extraordinario a la tesis doctoral en la Universitat Politècnica de València. De hecho, en la convocatoria del año 2019 solo ha habido una tesis premiada en el área de ingeniería civil. Esa tesis tuve el honor de dirigirla al Dr. Jorge Salas Herranz, cuyo título fue “Vulnerabilidad urbana, nueva caracterización y metodología para el diseño de escenarios óptimos”, y que se defendió el 1 de marzo de 2019.
Este premio extraordinario se suma al ya conseguido por otros de mis doctorandos como Ignacio Payá, Cristina Torres o Leonardo Sierra. Seguro que no serán los únicos.
Desde mi blog quiero expresar mi enhorabuena a Jorge por dicho premio, merecido, sin duda. En un artículo anterior ya presenté un resumen de la tesis. Ahora os paso también algunas de las publicaciones de mayor impacto fruto de dicho trabajo de investigación. Lo mejor está por venir.
SALAS, J.; YEPES, V. (2019). MS-ReRO and D-ROSE methods: assessing relational uncertainty and evaluating scenarios’ risks and opportunities on multi-scale infrastructure systems.Journal of Cleaner Production, 216:607-623. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.12.083
SALAS, J.; YEPES, V. (2018). Urban vulnerability assessment: Advances from the strategic planning outlook.Journal of Cleaner Production, 179:544-558. DOI:1016/j.jclepro.2018.01.088
SALAS, J.; YEPES, V. (2018). A discursive, many-objective approach for selecting more-evolved urban vulnerability assessment models.Journal of Cleaner Production, 176:1231-1244. DOI:1016/j.jclepro.2017.11.249
Acaban de publicarnos un artículo en la revista International Journal of Environmental Research and Public Health (revista indexada en el JCR) sobre la aplicación de la planificación multinivel como herramienta para mejorar la sostenibilidad y la resiliencia de las infraestructuras. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
Se aplica una metodología novedosa de control jerárquico con múltiples objetivos para abordar la vulnerabilidad urbana, la mejora del estado de la red de carreteras y la minimización del costo económico como objetivos en un proceso de planificación resistente en el que tanto las acciones como su ejecución se planifican para un desarrollo controlado y sostenible. Basándose en el Sistema de Apoyo al Planeamiento Urbano, una herramienta de planificación desarrollada previamente, el sistema mejorado de apoyo al planeamiento ofrece una alternativa de planificación en la red de carreteras española, con el mejor equilibrio multiobjetivo entre optimización, riesgo y oportunidad. El proceso de planificación formaliza entonces la capacidad de adaptación local como la capacidad de variar la alternativa de planificación seleccionada dentro de ciertos límites, y el control del riesgo global como las obligaciones que deben cumplirse a cambio. Por último, mediante la optimización multiobjetivo, el método revela los equilibrios multiobjetivo entre la oportunidad local, el riesgo global y los derechos y deberes a escala local, proporcionando así una comprensión más profunda para una toma de decisiones mejor informada.
El artículo se ha publicado en una revista de alto impacto internacional, Q1 de la WOS, Impact Factor = 2,468 (2018), en acceso abierto, que se puede descargar desde la siguiente dirección: https://www.mdpi.com/1660-4601/17/3/962
Abstract
Resilient planning demands not only resilient actions, but also resilient implementation, which promotes adaptive capacity for the attainment of the planned objectives. This requires, in the case of multi-level infrastructure systems, the simultaneous pursuit of bottom-up infrastructure planning for the promotion of adaptive capacity, and of top-down approaches for the achievement of global objectives and the reduction of structural vulnerabilities and imbalances. Though several authors have pointed out the need to balance bottom-up flexibility with top-down hierarchical control for better plan implementation, very few methods have yet been developed with this aim, least of all with a multi-objective perspective. This work addressed this lack by including, for the first time, the mitigation of urban vulnerability, the improvement of road network condition, and the minimization of the economic cost as objectives in a resilient planning process in which both actions and their implementation are planned for a controlled, sustainable development. Building on Urban planning support system (UPSS), a previously developed planning tool, the improved planning support system affords a planning alternative over the Spanish road network, with the best multi-objective balance between optimization, risk, and opportunity. The planning process then formalizes local adaptive capacity as the capacity to vary the selected planning alternative within certain limits, and global risk control as the duties that should be achieved in exchange. Finally, by means of multi-objective optimization, the method reveals the multi-objective trade-offs between local opportunity, global risk, and rights and duties at local scale, thus providing deeper understanding for better informed decision-making.
