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Evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras: un análisis multicriterio y sus desafíos

A continuación, explicaremos el contenido de uno de los artículos más citados en nuestro grupo de investigación. El artículo plantea la siguiente pregunta de investigación: ¿Cómo se tratan los aspectos sociales en la evaluación multicriterio de infraestructuras? Esta cuestión se estructura en tres subpreguntas que buscan determinar qué aspectos sociales se valoran en la evaluación de infraestructuras, qué métodos multicriterio se utilizan para evaluar su contribución social y qué enfoques se aplican en la evaluación social multicriterio. La pregunta principal permite dar una respuesta clara en función de los hallazgos del estudio, que se centran en identificar métodos, criterios y limitaciones en la evaluación social de infraestructuras.

El artículo realiza una revisión sistemática de la literatura existente en el campo de la evaluación social de infraestructuras mediante métodos multicriterio. Para ello, se identificaron 94 estudios relevantes mediante una búsqueda en la base de datos Web of Science, que abarca publicaciones entre 1995 y 2017. La metodología de selección se desarrolló en dos fases. La primera consistió en seleccionar inicialmente los estudios, basándose en criterios de pertinencia y revisión por pares. En la segunda fase, se analizaron las referencias y citas de los estudios seleccionados para ampliar la muestra y obtener una visión más completa del tema. Posteriormente, los estudios fueron categorizados según los criterios sociales evaluados, los métodos multicriterio utilizados y las consideraciones de contexto, equidad y aprendizaje social en la evaluación.

El trabajo sistematiza los criterios sociales utilizados en la evaluación de infraestructuras y los clasifica en siete dimensiones. La primera es el capital humano, que abarca las necesidades básicas, la educación y la salud. La segunda dimensión es el capital comunitario, que incluye la opinión pública, la estética y la seguridad. En tercer lugar, se encuentra el capital cultural, relacionado con la preservación de valores culturales tangibles e intangibles. La cuarta dimensión es el capital productivo, que tiene en cuenta la movilidad, la accesibilidad y la urbanización. En quinto lugar, el capital social e institucional se refiere a la participación de los actores y su capacidad de gestión. La sexta dimensión, el sistema socioeconómico, comprende el desarrollo económico regional y el empleo. Finalmente, la séptima dimensión es la relación entre la empresa y la comunidad, que engloba el diseño centrado en el usuario y las prácticas laborales éticas.

Además, el estudio analiza los métodos multicriterio más empleados, entre los que destacan el Analytic Hierarchy Process (AHP), el Simple Additive Weighting (SAW) y el Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS). Se identifican brechas en la consideración de equidad, incertidumbre y aprendizaje social en las evaluaciones existentes, lo que sugiere la necesidad de mejorar los enfoques actuales para una evaluación más integral.

Los hallazgos revelan que la evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras ha recibido menos atención que las dimensiones económica y ambiental. Ciertos criterios, como la movilidad, la seguridad y el desarrollo local, se tienen en cuenta recurrentemente en los estudios analizados, mientras que otros, como la equidad en la distribución de beneficios y la participación comunitaria, se abordan menos. Además, los métodos actuales no abordan de manera adecuada la incertidumbre inherente a los aspectos sociales, lo que limita su aplicabilidad en contextos dinámicos y diversos. Ante esta situación, el artículo propone utilizar herramientas como la teoría de conjuntos difusos y los sistemas grises para mejorar la representación de estos factores en los modelos de evaluación.

El artículo plantea varias líneas de investigación futuras para mejorar la evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras. En primer lugar, se recomienda el desarrollo de métodos que tengan en cuenta la equidad en la distribución de beneficios. En segundo lugar, se plantea la integración de técnicas de gestión de incertidumbre en los modelos multicriterio para mejorar su aplicabilidad en distintos contextos. Asimismo, se enfatiza la necesidad de fortalecer la participación de los interesados en los procesos de evaluación para promover modelos de toma de decisiones más inclusivos. Por último, se sugiere la aplicación de enfoques de aprendizaje social para mejorar la adaptabilidad de las evaluaciones a distintos contextos y garantizar una toma de decisiones más informada y eficaz.

En resumen, el estudio ofrece un análisis detallado sobre la evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras mediante métodos multicriterio. Se destaca la necesidad de mejorar la representación de la equidad y la incertidumbre en los modelos existentes, así como la oportunidad de desarrollar metodologías que fomenten la inclusión de los actores implicados en el proceso de evaluación. Además, se subraya la importancia de promover procesos de aprendizaje social que permitan adaptar mejor las evaluaciones a los distintos contextos en los que se desarrollan las infraestructuras. En este sentido, el artículo supone un avance significativo en la comprensión de la evaluación social de infraestructuras y sentará las bases para futuras investigaciones en este campo.

Glosario de términos clave

  • Evaluación multicriterio: Un conjunto de métodos y técnicas que permiten analizar problemas complejos en los que se deben considerar múltiples criterios, a menudo conflictivos, para tomar una decisión o realizar una valoración.
  • Infraestructura: Las estructuras físicas y organizativas básicas necesarias para el funcionamiento de una sociedad o empresa, como carreteras, puentes, sistemas de energía, comunicaciones, etc.
  • Sostenibilidad Social: Una dimensión de la sostenibilidad que se centra en el impacto de las actividades humanas en las personas y en la sociedad en general, incluyendo aspectos como la equidad, la justicia social, la salud, la seguridad y la participación comunitaria.
  • Revisión sistemática de la literatura: Un método riguroso y transparente para identificar, seleccionar, evaluar y sintetizar todas las evidencias empíricas relevantes para responder a una pregunta de investigación específica.
  • Capital humano: Los conocimientos, habilidades, competencias y atributos incorporados en los individuos que facilitan la creación de valor económico y social.
  • Capital comunitario: Los recursos y relaciones sociales dentro de una comunidad que fomentan la cooperación y el beneficio mutuo, incluyendo aspectos como la confianza, las normas y las redes sociales.
  • Capital cultural: Los activos culturales, tanto tangibles (patrimonio físico, obras de arte) como intangibles (tradiciones, conocimientos, expresiones artísticas), que tienen valor social, económico e histórico.
  • Equidad: La cualidad de ser justo e imparcial, asegurando que los beneficios y las cargas se distribuyan de manera proporcional y considerando las diferentes necesidades y circunstancias.
  • Incertidumbre: La falta de certeza o conocimiento preciso sobre eventos futuros, sus probabilidades y sus posibles consecuencias.
  • Aprendizaje social: Un proceso colectivo a través del cual los individuos y los grupos adquieren nuevos conocimientos, habilidades y comprensiones a través de la interacción, la experiencia y la reflexión conjunta.
  • Analytic Hierarchy Process (AHP): Un método multicriterio que estructura un problema de decisión en una jerarquía de criterios, subcriterios y alternativas, y utiliza comparaciones pareadas para determinar las prioridades relativas.
  • Simple Additive Weighting (SAW): Un método multicriterio que asigna pesos a cada criterio y calcula una puntuación total para cada alternativa multiplicando su rendimiento en cada criterio por el peso del criterio y sumando los resultados.
  • Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS): Un método multicriterio que identifica la alternativa con la distancia más corta a la solución ideal positiva y la distancia más larga a la solución ideal negativa.
  • Teoría de conjuntos difusos: Un marco matemático que permite representar y manejar la imprecisión y la vaguedad en la información, utilizando grados de pertenencia en lugar de la lógica binaria tradicional.
  • Sistemas grises: Un enfoque metodológico diseñado para analizar y modelar sistemas con información incompleta o incierta, utilizando conceptos como intervalos numéricos y números grises para representar la incertidumbre.
  • Partes interesadas (Stakeholders): Individuos, grupos u organizaciones que pueden afectar o ser afectados por las decisiones o actividades de un proyecto o política.

Os dejo un pequeño programa de radio sobre este tema (en inglés).

Os dejo un mapa mental del trabajo.

Referencia:

SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures. Journal of Cleaner Production, 187:496-513. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.03.022

Como el artículo se publicó en abierto, lo dejo por si lo queréis consultar.

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Losas aligeradas multiaxiales: innovación y sostenibilidad en los Métodos Modernos de Construcción

Vivienda unifamiliar con losas aligeradas multiaxiales «Unidome»

El artículo de investigación presentado en el 28th International Congress on Project Management and Engineering por los autores Sánchez-Garrido, Yepes-Bellver, Saiz y Yepes es un análisis de losas aligeradas multiaxiales empleadas en edificación.

En la actualidad, el sector de la construcción se enfrenta a desafíos significativos relacionados con la necesidad de optimizar recursos, minimizar el impacto ambiental y satisfacer demandas estructurales complejas. Ante este panorama, los Métodos Modernos de Construcción (MMC) han surgido como una alternativa disruptiva a las técnicas tradicionales. Este artículo analiza la implementación de losas aligeradas multiaxiales, y destaca su diseño, beneficios, impacto en la sostenibilidad y su comparación con estructuras convencionales.

El trabajo se enmarca dentro de los proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El auge de los Métodos Modernos de Construcción

Los MMC, también conocidos como «construcción inteligente», introducen un enfoque industrializado que revoluciona la forma de diseñar y construir edificios. Este concepto, inicialmente popularizado en el Reino Unido, abarca tecnologías modulares y procesos automatizados que hacen que la construcción sea más rápida, económica y sostenible.

A diferencia de los métodos tradicionales, los MMC integran disciplinas como la ingeniería estructural, la arquitectura y la gestión de proyectos. Estas técnicas permiten aprovechar al máximo los materiales, reducir los residuos y acortar los plazos de ejecución. Dentro de este enfoque, destacan las losas aligeradas multiaxiales, una solución que combina eficiencia estructural y sostenibilidad.

Características técnicas de las losas aligeradas

Las losas aligeradas multiaxiales suponen una evolución frente a las losas macizas tradicionales. Su diseño incorpora elementos huecos, como los formadores «Unidome», que sustituyen el hormigón en áreas de baja capacidad portante, lo que genera importantes beneficios estructurales y medioambientales.

  1. Materiales:
    • Hormigón armado.
    • Aligeradores de plástico reciclado (HDPE o PP).
    • Barras de acero para refuerzo y fijación.
  2. Diseño:
    • Reducción de hasta el 35 % del hormigón empleado.
    • Aligeramiento del peso propio de la losa, lo que facilita su transporte y montaje.
    • Incorporación de zonas macizas en áreas críticas, como las cercanas a pilares, para garantizar la resistencia a cortante y al punzonamiento.
  3. Flexibilidad estructural:
    • Reducción de entre un 5-10 % en el canto del forjado.
    • Aumento de luces hasta un 40 % más respecto a las losas macizas.
    • Mejora en la distribución de cargas y en el comportamiento frente a sismos.
  4. Durabilidad:
    • Diseño optimizado para prevenir fallos estructurales por flexión, cortante o cargas axiales.
    • Resistencia al fuego gracias a recubrimientos específicos y diseño uniaxial o biaxial.

Comparativa: estructura convencional frente a MMC

Para evaluar el impacto de las losas aligeradas, se realizó un estudio de caso en un edificio residencial público de Chiclana (Cádiz), donde se compararon dos alternativas estructurales: una convencional y otra basada en MMC.

Opción A: Estructura convencional

  • Características:
    • 10 pilares para luces de 6,6 m.
    • Losas macizas de hormigón armado con espesores de 26-28 cm.
    • Mayor peso propio, que requiere cimentaciones más robustas.
  • Materiales utilizados:
    • 509,87 m³ de hormigón.
    • 59.837 kg de acero.

Opción B: Estructura MMC con losas aligeradas

  • Características:
    • 6 pilares soportan luces de hasta 13,2 m, eliminando filas intermedias.
    • Losas aligeradas de 40-44 cm con un 35 % menos de peso propio en áreas no críticas.
  • Materiales utilizados:
    • 532,60 m³ de hormigón (4,5 % más que la opción A).
    • 69.892 kg de acero (16 % más que la opción A).

Aunque la opción B requiere más materiales, su diseño permite reducir significativamente los elementos estructurales, como los pilares, lo que da como resultado una estructura más esbelta y eficiente. Además, al eliminar soportes intermedios, se obtienen beneficios adicionales como espacios diáfanos, flexibilidad en el diseño interior y menores tiempos de ejecución.

Sostenibilidad: Un enfoque imprescindible

La sostenibilidad es uno de los pilares de los MMC y las losas aligeradas no son una excepción. La implementación de estas losas tiene un impacto positivo que se refleja en diversos aspectos:

  1. Reducción de CO₂:
    • Cada módulo aligerado sustituye hasta un 35% del hormigón, lo que equivale a una reducción promedio de 46 toneladas de CO₂ por módulo construido.
    • Uso de plástico reciclado para los aligeradores, disminuyendo la dependencia de materiales vírgenes.
  2. Eficiencia energética:
    • Menor consumo de energía en la producción y transporte de materiales.
    • Reducción del 20% en el gasto energético durante la construcción.
  3. Optimización de recursos:
    • Ahorro de agua en el proceso de fabricación del hormigón.
    • Disminución del peso propio, lo que optimiza cimentaciones y reduce la cantidad de acero requerido.

Resultados concretos

En el estudio comparativo, las losas MMC redujeron las emisiones de CO₂ en un 25 % por metro cuadrado, mientras que su transporte requirió un 30 % menos de camiones en comparación con las losas macizas tradicionales.

Aplicaciones prácticas y retos futuros

Las losas aligeradas tienen un amplio rango de aplicaciones, desde edificios residenciales hasta rascacielos y escuelas. Su adaptabilidad permite implementarlas en forjados y cimentaciones con espesores que van desde los 20 cm hasta los 80 cm. No obstante, todavía enfrentan ciertos desafíos:

  • Aceptación del mercado: La estandarización y la capacitación de los profesionales son esenciales para su adopción masiva.
  • Optimización del diseño: Futuras investigaciones buscan extender las aplicaciones a cargas y luces mayores, comparando su desempeño con otras soluciones como forjados reticulares o postensados.

Beneficios adicionales para los proyectos

Además de los aspectos técnicos y sostenibles, las losas aligeradas ofrecen ventajas tangibles para los equipos de diseño y construcción:

  1. Simplificación del proyecto:
    • Geometrías más sencillas y menos complejas.
    • Reducción de cargas estructurales, lo que facilita el cálculo estático.
  2. Velocidad de construcción:
    • Los formadores de huecos llegan preensamblados o listos para instalar, reduciendo los tiempos de montaje.
    • El menor peso de los elementos acelera el proceso de hormigonado.
  3. Versatilidad arquitectónica:
    • Mayor libertad en la distribución de espacios interiores.
    • Facilidad para abrir huecos adicionales o modificar diseños.

Conclusiones

Los Métodos Modernos de Construcción, y específicamente las losas aligeradas multiaxiales, representan un cambio de paradigma en la ingeniería civil. Al reducir el uso de materiales y optimizar recursos, así como al mejorar el desempeño estructural, estas soluciones no solo son más sostenibles, sino también más adaptables a las necesidades contemporáneas de diseño y construcción.

Al combinar eficiencia, flexibilidad y sostenibilidad, las losas aligeradas ofrecen una respuesta sólida a los retos actuales del sector. Su implementación masiva tiene el potencial de transformar el panorama de la construcción y alinearse con objetivos globales como la reducción de emisiones y la industrialización sostenible.

Os dejo la presentación que se hizo en el congreso:

Como está publicado en abierto, os dejo la comunicación completa a continuación:

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Referencia:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; SAIZ, D.; YEPES, V. (2024). Ingeniería de proyectos en Modernos Métodos de Construcción: El caso de edificios con losas planas mediante elementos aligerantes multiaxiales. 28th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 3-4 de julio, Jaén (Spain), pp. 392-406. DOI:10.61547/2402009

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Predimensionamiento óptimo de tableros de puentes losa pretensados aligerados

Figura 1. Vista aérea de paso superior. Google Maps.

El artículo de investigación presentado en el 28th International Congress on Project Management and Engineering por los autores Yepes-Bellver, Martínez-Pagán, Alcalá, y Yepes es un análisis integral del predimensionamiento de los tableros de puentes losa pretensados aligerados.

Este informe detalla su importancia y sugiere mejoras en el diseño estructural mediante la optimización con métodos avanzados como el modelo Kriging y algoritmos de optimización heurística.

El trabajo se enmarca dentro de los proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

1. Contexto del empleo de los puentes losa pretensados aligerados

Los puentes de losa pretensada son fundamentales en las infraestructuras de carreteras y vías ferroviarias debido a su capacidad para cubrir luces de entre 10 y 45 metros, lo que los hace más resistentes, duraderos y adaptables a distintos diseños geométricos. El coste de estos puentes suele representar entre un 5 % y un 15 % de los gastos totales de una infraestructura de transporte. Además, los puentes losa ofrecen una mayor flexibilidad y una apariencia estética superior, ya que eliminan las juntas de calzada, lo que mejora la comodidad y reduce el desgaste del tablero al tráfico.

Principales ventajas de los puentes losa pretensados:

  • Resistencia y durabilidad: estos puentes ofrecen una alta resistencia a la torsión y la flexión, por lo que son ideales para soportar cargas variables y condiciones climáticas adversas.
  • Versatilidad en el diseño: gracias a su construcción in situ, es posible adaptarlos a terrenos irregulares o a condiciones complejas, como curvas pronunciadas y anchos variados, lo que permite construirlos con rasantes bajas.
  • Ahorro de materiales y costes: Al diseñarse sin juntas y con posibilidades de aligeramiento, su mantenimiento resulta menos costoso en comparación con otras tipologías.

2. Predimensionamiento y limitaciones en los métodos actuales

El predimensionamiento es esencial en la fase preliminar del diseño de puentes con losas pretensadas. Tradicionalmente, los ingenieros utilizan reglas empíricas basadas en la experiencia para definir parámetros geométricos iniciales, como el espesor de la losa, la relación entre el canto y la luz y la cantidad de armadura activa y pasiva. Sin embargo, estos métodos tradicionales tienen limitaciones en cuanto a eficiencia y sostenibilidad, ya que no optimizan el uso de materiales ni reducen el impacto ambiental.

Desventajas de los métodos convencionales de predimensionamiento:

  • Rigidez en el diseño: los métodos empíricos pueden ser inflexibles, lo que limita las opciones de diseño y hace que la estructura no se adapte eficientemente a los criterios de optimización moderna.
  • Ineficiencia económica y ambiental: al no tener en cuenta factores de sostenibilidad y costes, estos métodos pueden provocar un uso excesivo de materiales, lo que aumenta la huella de carbono y el consumo energético.

3. Propuesta de optimización con modelos Kriging y metaheurísticas

La propuesta de los investigadores consiste en aplicar una optimización bifase mediante modelos Kriging combinados con el recocido simulado, un algoritmo heurístico. Esta técnica permite reducir el tiempo de cómputo en comparación con los métodos de optimización tradicionales sin perder precisión. La optimización se centra en tres objetivos clave:

  • Minimización del coste
  • Reducción de emisiones de CO₂
  • Disminución del consumo energético

El Kriging, un tipo de metamodelo, facilita la interpolación de datos en una muestra determinada, lo que permite que los valores estimados sean predictivos y evite el alto coste computacional que conllevan las simulaciones estructurales completas. Para implementar esta técnica, se usa un muestreo de hipercubo latino (LHS), que permite generar variaciones en el diseño inicial de los puentes y proporciona una base sobre la que se aplica el modelo Kriging para ajustar las alternativas optimizadas de diseño.

4. Resultados y comparación con diseños convencionales

A continuación, se exponen los principales hallazgos del estudio, basados en la optimización de puentes reales y en la comparación con métodos empíricos:

  • Esbeltez y espesor de la losa: la investigación recomienda que aumentar la relación entre el canto y la luz mejora la sostenibilidad del diseño. Los puentes optimizados presentan relaciones de hasta 1/30, en comparación con el rango usual de 1/22 a 1/25.
  • Volumen de hormigón y armaduras: los resultados muestran una disminución del volumen de hormigón y del número de armaduras activas necesarias, mientras que aumenta el número de armaduras pasivas. Este ajuste permite reducir tanto el coste como las emisiones.
  • Uso de materiales de construcción: se recomienda el uso de hormigón de resistencia entre 35 y 40 MPa para obtener una combinación óptima entre coste y sostenibilidad. La cantidad de aligeramientos interiores y exteriores también contribuye significativamente a la reducción del peso total sin comprometer la resistencia.

Comparativa de materiales:

  • Cuantía de hormigón: entre 0,55 y 0,70 m³ por m² de losa. La optimización reduce el consumo a 0,60 m³ para puentes económicos y a 0,55 m³ para priorizar la reducción de emisiones.
  • Armadura activa: la cantidad recomendada es inferior a 17 kg/m² de tablero. Esto representa una reducción significativa en comparación con los diseños tradicionales, que promedian alrededor de 22,64 kg/m².
  • Armadura pasiva: se debe aumentar la cuantía hasta 125 kg/m³ para proyectos de alta sostenibilidad, en contraste con los valores convencionales.

5. Herramientas prácticas para los proyectistas: nomogramas para el predimensionamiento

Uno de los aportes más valiosos del estudio es la creación de nomogramas que permiten a los ingenieros realizar predimensionamientos precisos con un mínimo de datos. Los nomogramas se desarrollaron mediante modelos de regresión múltiple y ofrecen una forma rápida de estimar:

  • La cantidad de hormigón necesaria.
  • El espesor de la losa.
  • La armadura activa en función de la luz del puente y los aligeramientos aplicados.

Estos nomogramas son útiles en las primeras fases de diseño, ya que permiten obtener valores cercanos a los óptimos de manera rápida y eficiente. Los gráficos incluyen secuencias de cálculo específicas con ejemplos de puentes con luces de 34 m y aligeramientos medios (interior de 0,20 m³/m² y exterior de 0,40 m³/m²), lo que facilita un proceso de diseño preliminar que cumple con criterios de sostenibilidad.

Figura 2. Nomograma para estimar el canto del tablero (m). Fuente: Yepes-Bellver et al. (2024)

6. Recomendaciones para el diseño sostenible de puentes losa pretensados aligerados

Basándose en los resultados de optimización, el estudio recomienda ajustar ciertos parámetros de diseño para mejorar la sostenibilidad y reducir los costes:

  • Aumento de la relación canto/luz: se debe aumentar la relación a 1/26 o incluso 1/30 para conseguir diseños sostenibles.
  • Reducción del hormigón utilizado: limitar el uso de hormigón a 0,60 m³/m², o menos si la prioridad es reducir las emisiones.
    Cuantía de armaduras: para la armadura pasiva, se recomienda un mínimo de 125 kg/m³, mientras que la armadura activa debe reducirse a 15 kg/m² de losa.
    Aligeramientos amplios: utilizar aligeramientos significativos (interior de 0,20 m³/m² y exterior de 0,50 m³/m²) para reducir el peso estructural y minimizar el material empleado.

7. Conclusión: innovación en el diseño de infraestructuras sostenibles

El uso de modelos predictivos, como el Kriging, y de técnicas de optimización avanzada en el diseño de puentes supone un gran avance hacia la construcción de infraestructuras sostenibles y eficientes. Estos métodos permiten reducir costes y minimizar el impacto ambiental, dos factores críticos en la ingeniería moderna. Al promover estos enfoques, la investigación allana el camino hacia políticas de infraestructura más responsables y sostenibles, un objetivo alineado con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS).

8. Perspectivas futuras: expansión de la metodología de optimización

Los autores proponen continuar esta línea de investigación aplicando el modelo Kriging y otros metamodelos a diversas estructuras de ingeniería civil, como marcos de carretera, muros de contención y otros tipos de puentes. Esta expansión podría sentar las bases para nuevos estándares en el diseño de infraestructuras sostenibles.

Este estudio se presenta como una herramienta esencial para ingenieros y proyectistas interesados en mejorar el diseño estructural mediante métodos modernos de optimización, ya que ofrece un enfoque práctico y avanzado para lograr una ingeniería civil más sostenible.

Os dejo la presentación que se hizo en el congreso:

Como está publicado en abierto, os dejo la comunicación completa a continuación:

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Referencia:

YEPES-BELLVER, L.; MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Análisis del predimensionamiento de tableros óptimos de puentes losa pretensados aligerados y su incidencia en el proyecto estructural. 28th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 3-4 de julio, Jaén (Spain), pp. 407-419. DOI:10.61547/2402010

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Impacto social y económico de los resultados previstos del proyecto de investigación RESILIFE

Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)

En varios artículos anteriores ya presentamos muchos de los aspectos que justifican el 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 queremos resaltar la línea de trabajo del grupo de investigación y las razones por las cuales este proyecto supone un salto cualitativo.

Entre los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) para 2030, destaca la necesidad de construir infraestructuras resilientes. Entre 2003 y 2013, los desastres naturales y humanos causaron más de 1,1 millones de muertes, afectaron a más de 2000 millones de personas y generaron pérdidas de 1,5 billones de dólares. Los apagones en las redes eléctricas por condiciones meteorológicas adversas costaron entre 18 000 y 33 000 millones de dólares entre 2003 y 2012. Los errores de construcción y diseño indujeron el 65 % de los casos de colapso progresivo. En Europa, solo la mitad de las reparaciones de los edificios de hormigón fueron efectivas, a pesar de que los costes de rehabilitación suponen casi la mitad de las inversiones anuales en construcción. El mercado mundial de construcción de infraestructuras, valorado en 2,242 mil millones de dólares en 2021, se proyecta a 3,267 mil millones para 2027, con un crecimiento anual del 6,48 %.

Ante este panorama, un diseño adecuado y medidas preventivas locales son cruciales para salvar vidas e infraestructuras, pero, además de reducir el riesgo, son una fuente de creación de empleo especializado que debe formarse en estas técnicas. Por tanto, se espera un impacto social y económico relevante del proyecto RESILIFE. Publicaciones previas del grupo de investigación centradas en la optimización multiobjetivo (sin considerar la toma de decisiones multicriterio derivada de la participación social) muestran ahorros de entre el 10 y el 50 % en costes, ahorro de materiales, reducción de emisiones de CO₂ y consumo de energía. Por otra parte, en proyectos anteriores se hizo hincapié en los aspectos sociales de la optimización de las infraestructuras. Ello supuso incluir aspectos relativos a la seguridad de las personas, la equidad social intergeneracional, aspectos relacionados con la salud, la educación, la integración del análisis de género, etc., que ahora se incluyen en este proyecto. El grupo dispone de la metodología para su inclusión en la construcción industrializada modular y las estructuras híbridas. En este sentido, la construcción modular industrializada (también llamada off-site) ofrece ventajas significativas, ya que permite ahorros de hasta el 50 % en los plazos, reduce el desperdicio, se fabrica con tolerancias estrictas y mejora la seguridad al estandarizar los procesos en fábrica. Permite ahorros de hasta el 50 % en los plazos, reduce el desperdicio, se fabrica con tolerancias estrictas y mejora la seguridad al estandarizar los procesos en fábrica. Además, la pandemia ha demostrado, por ejemplo, en la construcción de dos hospitales de campaña en Wuhan (China) en solo 12 días, que este tipo de construcción modular puede solucionar graves problemas de alto impacto social y económico en situaciones de crisis futuras. También, existe una creciente demanda social de vivienda que, en países como Suecia o Japón, ha utilizado la construcción modular de forma masiva.

Los resultados del proyecto RESILIFE pretenden profundizar en las ventajas sociales y económicas. Basta con observar cómo los desastres naturales y, por desgracia, los conflictos bélicos actuales están destruyendo las viviendas e infraestructuras de forma masiva, afectando principalmente a las mujeres y los niños. El esfuerzo por diseñar estructuras capaces de resistir alguno de estos eventos extremos, o en su caso, facilitar la reparación de forma rápida y eficaz, permite reducir considerablemente el sufrimiento de las personas. Además, optar por soluciones que minimicen el colapso progresivo de los edificios y mejoren la eficiencia de la rehabilitación puede tener un impacto significativo. Mejorar el diseño resiliente de las infraestructuras para reducir el impacto en un 10 % supondría una disminución de al menos 15 000 millones de dólares y 10 000 muertes anuales a nivel mundial. Asimismo, los resultados obtenidos por la optimización resiliente vendrían a completar la línea de investigación realizada en el ICITECH por el profesor José M. Adam y su equipo para evitar el colapso progresivo de las estructuras, investigación que cuenta con una fuerte inversión en modelización física y numérica. Esta especialización en la investigación del ICITECH sitúa a nuestro país en una posición tecnológica de gran importancia en el ámbito de la construcción.

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Salto cualitativo del proyecto de investigación RESILIFE respecto a resultados previos

Figura 1. Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)
Laboratorio de materiales del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)

En varios artículos anteriores ya presentamos muchos de los aspectos que justifican el 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 queremos resaltar la línea de trabajo del grupo de investigación y las razones por las cuales este proyecto supone un salto cualitativo.

El equipo de investigación presenta una trayectoria que respalda su capacidad para abordar este nuevo reto, con experiencia en proyectos previos. En efecto, el IP1 del proyecto RESILIFE también fue IP en los 4 proyectos anteriores y dirigió 17 tesis doctorales relacionadas. El IP2 participó en todos estos proyectos. Los resultados obtenidos han sido consistentemente significativos y progresivos. El proyecto HORSOST (BIA2011-23602) generó 15 artículos JCR, 5 Q1, y de ellos, 2 D1. BRIDLIFE (BIA2014-56574-R) produjo 20 artículos JCR, 15 de ellos en la categoría Q1 y, de estos, 7 en la categoría D1. DIMALIFE (BIA2017-85098-R) produjo 33 artículos JCR, 20 de ellos Q1 y, de estos, 12 D1. HYDELIFE (PID2020-117056RB-I00) ha producido hasta ahora 42 artículos JCR, 26 de ellos Q1 y 15 D1. En estos proyectos se concedieron cuatro contratos predoctorales, tres de los cuales culminaron con éxito y el último está en ejecución. También existe una patente (Alcalá y Navarro, 2020) sobre vigas en cajón mixtas de acero y hormigón.

Objetivos y resultados ya alcanzados en proyectos previos

Antes de resumir los resultados de proyectos previos, queremos destacar que nuestra línea de investigación va más allá de la simple optimización económica del hormigón estructural, un objetivo atractivo a corto plazo para las empresas constructoras o de prefabricados. En proyectos anteriores, se abordó el diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales, utilizando criterios sostenibles multiobjetivo y técnicas de minería de datos. También se analizó la toma de decisiones en la gestión del ciclo de vida de puentes pretensados, priorizando la eficiencia social y medioambiental con presupuestos ajustados. Para ello, se emplearon metamodelos, diseño óptimo robusto y fiabilidad para generar diseños automáticos de puentes e infraestructuras, considerando hormigones con baja huella de carbono y abordando aspectos de durabilidad, consumo energético, huella de carbono y seguridad a lo largo del ciclo de vida. Se utilizaron técnicas de decisión multicriterio para elegir la mejor tipología constructiva de un puente y decidir entre las opciones resultantes de la frontera de Pareto. Se incorporaron técnicas emergentes de aprendizaje profundo (DL) en la hibridación de metaheurísticas y se exploró la construcción industrializada modular en edificación y obra civil. Además, se analizaron en detalle puentes mixtos y estructuras híbridas frente a soluciones de hormigón en un análisis de ciclo de vida completo que incluye la sostenibilidad social y medioambiental.

La producción científica de estos proyectos fue significativa (ver algunos artículos en las referencias aportadas). Se abordó la optimización multiobjetivo (coste, CO2 y energía) en puentes con vigas artesa y cajón, así como en el mantenimiento de puentes y redes de pavimento. También se exploró la sostenibilidad social de las infraestructuras y se aplicaron metodologías innovadoras, como la lógica neutrosófica y las redes bayesianas en la toma de decisiones. La optimización se respaldó en metamodelos de redes neuronales, modelos kriging y análisis de fiabilidad. Se propusieron indicadores para evaluar la sostenibilidad social y ambiental. Además, se aplicó diseño robusto a puentes, se analizó la resiliencia de las infraestructuras y se realizaron análisis del ciclo de vida para estructuras óptimas. Se obtuvo la patente «Viga en cajón mixta de acero y hormigón, P202030530».

Sin embargo, para avanzar es necesario abordar las limitaciones y el alcance de estos proyectos. El proyecto RESILIFE busca dar un salto cualitativo en nuestra línea de investigación y superar algunas de las limitaciones actuales en cuanto al alcance. Para respaldar la innovación propuesta y plantear este nuevo proyecto, nuestro grupo llevó a cabo seis estudios sobre el estado del arte en relación con BIM en estructuras (Fernández-Mora et al., 2022), la aplicación de la inteligencia artificial a la construcción (García et al., 2022), sobre estructuras modulares (Sánchez-Garrido et al., 2023), sobre estructuras prefabricadas frente a sismo (Guaygua et al., 2023), sobre estructuras híbridas de acero (Terreros-Bedoya et al., 2023) y sobre metamodelos (Negrín et al., 2023). Esto ha permitido detectar la oportunidad de optimizar el ciclo de vida de las estructuras incorporando, desde el diseño, la ocurrencia de eventos extremos, de forma que dichas estructuras pudieran recuperar su funcionalidad en el menor tiempo posible y con el menor coste social y ambiental. Tanto las estructuras híbridas de acero como las basadas en MMC tienen el potencial de mejorar la resiliencia estructural, siendo estos campos de investigación fecundos y de gran repercusión social. Además, el uso de la inteligencia artificial, la toma de decisiones multicriterio que consideran incertidumbres, el uso de metamodelos, la incorporación de la teoría de juegos en la optimización multiobjetivo y el empleo del BIM y la realidad virtual en la modelización suponen barreras que superar en la investigación de estas estructuras. A ello hay que añadir el uso de técnicas no destructivas para detectar daños en dichas estructuras (Hadizadeh-Bazaz et al., 2023), así como tecnologías de reparación eficiente de estructuras (Ortega et al., 2018).

Por tanto, RESILIFE pretende superar una serie de limitaciones en la investigación:

  • Análisis del ciclo de vida de estructuras híbridas de acero basadas en Modernos Métodos de Construcción (MMC) ante situaciones extremas (aumento de temperatura, explosiones, seísmos, etc.), de forma que aumente la resiliencia.
  • En el diseño óptimo, prever la reparación y el mantenimiento de las MMC ante eventos extremos, de forma que los elementos estructurales no se dañen o se puedan reparar de manera eficiente y rápida, centrándose en los problemas sociales y ambientales.
  • Utilizar metaheurísticas híbridas basadas en la inteligencia artificial, metamodelos y la teoría de juegos para mejorar la calidad de las soluciones al incorporar el aprendizaje profundo en la base de datos generada en la búsqueda de los algoritmos y reducir los tiempos de cálculo.
  • Explorar el efecto de la aleatoriedad de los parámetros con la incorporación del diseño óptimo resiliente y basado en fiabilidad para evitar que los proyectos reales optimizados sean infactibles ante pequeños cambios.
  • Profundizar en el estudio de la distribución de los impactos sociales y ambientales en las estructuras MMC.
  • Analizar la sensibilidad de las políticas presupuestarias poco sensibles a la realidad del sector en la gestión de las estructuras.

Lo indicado hasta ahora se podría sintetizar en los siguientes aspectos:

  1. El tema de la investigación se ha ido profundizando en cada uno de los proyectos realizados, de acuerdo con los objetivos previstos.
  2. Los estudios anteriores se basaban en la optimización multiobjetivo, la toma de decisiones a lo largo del ciclo de vida, el diseño robusto y basado en la fiabilidad y la incorporación del aprendizaje profundo. Ahora es el momento de ampliar la investigación a nuevas construcciones industrializadas modulares y estructuras híbridas optimizando su resiliencia ante eventos extremos.

Referencias

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Metodología del proyecto de investigación RESILIFE

Figura 1. Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH). http://congress.cimne.com/SAHC2020/frontal/JoseM.Adam.asp

En varios artículos anteriores ya presentamos el resumen, la justificación, las hipótesis de partida y los objetivos 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 metodología de este proyecto.

El análisis del estado de la técnica, desarrollado específicamente por el grupo para formular este proyecto, reveló la existencia de importantes lagunas de investigación. Por un lado, no se ha abordado de manera integral la optimización del diseño de estructuras híbridas y basadas en MMC que incorporan daños por eventos extremos, lo que dificulta una recuperación rápida y la minimización de impactos sociales y ambientales. Estas estructuras presentan un alto potencial (Terreros-Bedoya et al., 2023; Sánchez-Garrido et al., 2023), pero aún no se han explorado metaheurísticas híbridas con DL y teoría de juegos en la optimización de su resiliencia. Además, la lógica neutrosófica y las redes bayesianas abren puertas en el ámbito de la decisión multicriterio. Estas innovaciones se fusionan en nuestra metodología con técnicas, como el análisis del ciclo de vida, el análisis basado en la fiabilidad, el diseño óptimo robusto, los metamodelos y las técnicas de minería de datos. La metodología propuesta busca priorizar el diseño de estructuras, su reparación o mantenimiento, considerando criterios de sostenibilidad social y ambiental dentro de restricciones presupuestarias, teniendo en cuenta la variabilidad inherente a los desafíos prácticos.

La Figura 2 muestra el esquema metodológico propuesto para RESILIFE, vinculando las fases con los objetivos específicos. Se adopta un enfoque mixto e interactivo en el que el decisor proporciona información sobre sus preferencias al analista. Posteriormente, mediante una optimización multiobjetivo basada en la fiabilidad y los metamodelos, el analista genera un conjunto de soluciones eficientes que el decisor evalúa antes de tomar una decisión. Por tanto, la novedad de la propuesta metodológica trifase se basa en la integración de técnicas de información a priori, en las que el decisor (grupos de interés) informa de las preferencias al analista, abarcando métodos constructivos, reparación, conservación, etc. La optimización multiobjetivo, apoyada en la variabilidad de parámetros, variables y restricciones, produce alternativas eficientes. La última fase implica un proceso de información a posteriori para que el decisor considere aspectos no contemplados en la optimización, que da como resultado la solución final completa.

Figura 2. Esquema metodológico diseñado para RESILIFE en relación con los objetivos

La metodología se aplicará, como mínimo, a los siguientes casos de estudio. En primer lugar, a la optimización de pórticos de edificios altos con estructura de acero híbrido y de hormigón armado sometida a un incremento fuerte de temperatura. De hecho, Keles et al. (2024) optimizan estructuras de acero tradicional, en las que la temperatura altera las propiedades mecánicas, y Negrín et al. (2023a) comparan las ventajas de las estructuras híbridas frente a las tradicionales. El segundo caso se aplica a pórticos de edificios, tanto de hormigón armado como de estructuras híbridas, donde se optimiza suponiendo el fallo completo de uno o varios de los soportes, de forma que el entramado siga manteniendo su funcionalidad. Esto permite, con ligeros cambios en el diseño, mantener cierta funcionalidad estructural capaz de evacuar a las personas con seguridad y, a su vez, realizar tareas de reparación o mantenimiento de los elementos dañados. El objetivo es mejorar no solo la optimización, sino también los aspectos de diseño que impidan el colapso progresivo. Un aspecto similar ha sido estudiado por Negrín et al. (2023c) para el caso de fuertes interacciones suelo-estructura. Otro caso de estudio es la optimización resiliente de viviendas sociales prefabricadas en zonas sísmicas, que deben resistir acciones extremas y, además, poder reparar rápidamente los daños (Guaygua et al., 2023). Otro caso previsto es la optimización resiliente del mantenimiento y la reparación de patologías resultantes de eventos extremos. Los casos anteriores, que se centran en gran medida en viviendas, también se extenderán en este proyecto a otras estructuras, como puentes híbridos o estructuras modulares, en consonancia con la experiencia previa del equipo de investigación. La optimización siempre es multiobjetivo y se apoya en técnicas de deep learning a lo largo del ciclo de vida, con la novedad del uso de la teoría de juegos.

Referencias

  • GUAYGUA, B.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2023). A systematic review of seismic-resistant precast concrete buildings. Structures, 58; 105598.
  • KELES, M.; ARTAR, M.; ERGÜN, M. (2024). Investigation of temperature effect on the optimal weight design of steel truss bridges using Cuckoo Search Algorithm. Structures, 59:105819.
  • NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023a). Design optimization of welded steel plate girders configured as a hybrid structure. J Constr Steel Res, 211:108131.
  • NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023b). Metamodel-assisted design optimization in the field of structural engineering: a literature review. Structures, 52:609-631.
  • NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023c). Metamodel-assisted meta-heuristic design optimization of reinforced concrete frame structures considering soil-structure interaction. Struct., 293:116657
  • SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; GARCÍA, J.; YEPES, V. (2023). A systematic literature review on Modern Methods of Construction in building: an integrated approach using machine learning. Build. Eng., 73:106725
  • TERREROS-BEDOYA, A.; NEGRÍN, I.; PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V. (2023). Hybrid steel girders: review, advantages and new horizons in research and applications. J Constr Steel Res, 207:107976.

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Objetivos del proyecto de investigación RESILIFE

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 de este proyecto.

El objetivo general perseguido 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 tener en cuenta criterios de sostenibilidad social y ambiental a lo largo de todo el ciclo de vida de las estructuras, teniendo en cuenta la variabilidad inherente al mundo real. Para abordar las incertidumbres que afectan al sistema, se propone la aplicación de metamodelos y metaheurísticas híbridas basadas en 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 para 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, mantenimiento y reparación de estructuras híbridas de acero y modulares.
• OE-3: Identificación de estrategias de reparación y mantenimiento robusto óptimo 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 respecto a la optimización heurística, teniendo en cuenta incertidumbres presupuestarias en su ciclo de vida.
• OE-6: Difusión de resultados y redacción de informes.

Figura 2. Objetivos específicos del proyecto RESILIFE

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Hipótesis de partida del proyecto de investigación 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 de este 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 empleo 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 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 procedentes 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 se puedan reparar cuando se optimizan 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 desde el punto de vista social y ambiental.
  • 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 cuando se combinan 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, siendo la teoría de juegos una técnica efectiva.
  • Hipótesis 6: La optimización multiobjetivo puede dar lugar a soluciones inviables con pequeñas variaciones en los parámetros o en las restricciones.
  • Hipótesis 7: Tanto el diseño óptimo basado en 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 por 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 óptimo de estructuras híbridas y modulares son diferentes 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 posterior de dicho activo que mejore 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 por su menor coste social y ambiental a la reparación severa de las estructuras. La dimensión social incluye la integración del análisis de género en la investigación (IAGI).
  • Hipótesis 12: Es posible encontrar buenas prácticas en el diseño, la conservación, el mantenimiento y el desmantelamiento de estructuras híbridas y modulares que sean robustas ante cambios presupuestarios y resilientes ante eventos extremos.

Referencias

  • NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Metamodel-assisted design optimization in the field of structural engineering: a literature review. Structures, 52:609-631.
  • SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; GARCÍA, J.; YEPES, V. (2023). A systematic literature review on Modern Methods of Construction in building: an integrated approach using machine learning. Build. Eng., 73:106725.
  • TERREROS-BEDOYA, A.; NEGRÍN, I.; PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V. (2023). Hybrid steel girders: review, advantages and new horizons in research and applications. J Constr Steel Res, 207:107976.

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Justificación del proyecto de investigación RESILIFE

Figura 1. Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)
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, construcción y 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 locales preventivas pueden salvar tanto vidas de usuarios como infraestructuras, resaltando así la importancia del mantenimiento. La falta de eficacia en las reparaciones de hormigón es uno de los principales problemas en ingeniería estructural. En Europa, solo el 50 % de las operaciones de restauración en edificaciones de hormigón es efectiva, 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 recursos y 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 limitados recursos presupuestarios. 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 la 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 pasan por mejoras en las uniones de las estructuras prefabricadas, que son los puntos más vulnerables ante los seísmos. De este modo, se están creando edificios que, a través de ingeniosos métodos de disipación de energía, están equiparando sus prestaciones y seguridad a 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 a través del 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 ocurre con las estructuras de hormigón (Tang et al., 2023). Las vigas de acero híbridas optimizan la resistencia a la flexión y al cortante, y mejoran a los elementos de acero homogéneos. No obstante, la investigación debe cubrir las lagunas existentes en su aplicación a estructuras complejas y 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 en edificios altos y 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 sobre ellas. 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 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 dentro del paradigma de modelos de información en la construcción (BIM) (Fernández-Mora et al., 2022).

Referencias

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Proyecto de investigación RESILIFE (2024-2027)

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 implica recursos y emisiones significativas. 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 frente a 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 las 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 en seguridad a las estructuras tradicionales. La innovación central consiste en plantear procedimientos explícitos para cuantificar la resiliencia de las estructuras en el contexto de 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 términos sociales y ambientales frente a eventos extremos. La novedad metodológica radica en la utilización 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, evitando 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 presente en momentos de crisis compromete seriamente las políticas de creación y conservación de las infraestructuras, sobre todo si hay 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 son 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, construction, and lack of maintenance errors often cause local structural damage that can trigger the progressive collapse of infrastructures. 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 cope with extreme events and to bring these structures on par with traditional structures regarding performance and safety. The central innovation is to develop explicit procedures to quantify the resilience of structures in the context of multiple hazards and to compare structures and systems in terms of resilience. To this end, artificial intelligence techniques will be applied to optimize resilience, demonstrating its 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 techniques, such as neutrosophic logic, and others, such as 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 based on reliability and robust designs. 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 the uncertainties to provide more robust and reliable designs. On the other hand, the strong budget constraints present in times of crisis seriously compromise infrastructure creation and maintenance policies, especially if there are cost increases when introducing resilience in the design. After a sensitivity analysis of different budgetary policies associated with a time horizon, the expected results aim to detail which typologies, specific repair and conservation actions, and demolition and reuse alternatives are adequate to minimize environmental and social impacts considering 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.

 

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