Acaban de publicarnos un artículo en la revista Advances in Civil Engineering, revista indexada en el JCR. Se trata de un artículo de revisión del estado del arte de los puentes mixtos de hormigón y acero desde los puntos de vista del diseño, análisis del ciclo de vida, mantenimiento y toma de decisiones. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
Los puentes mixtos de acero y hormigón se utilizan como alternativa a los puentes de hormigón debido a su capacidad de adaptar su geometría a las limitaciones de diseño y a la posibilidad de reutilizar algunos de los materiales de la estructura. En esta revisión del estado del arte, informamos de la investigación realizada sobre el diseño, el comportamiento, la optimización, los procesos de construcción, el mantenimiento, la evaluación del impacto y las técnicas de toma de decisiones de los puentes mixtos para llegar a un enfoque de diseño completo. Además de un análisis cualitativo, se utiliza un análisis multivariante para identificar las lagunas de conocimiento relacionadas con el diseño de los puentes y para detectar las tendencias de la investigación. Un objetivo adicional es hacer visibles las lagunas en el diseño sostenible de los puentes mixtos, lo que permite centrar los futuros estudios de investigación. Los resultados de esta labor muestran cómo la investigación se ha centrado en el diseño preliminar de puentes con un enfoque principalmente económico, mientras que a nivel mundial la preocupación se dirige a la búsqueda de soluciones sostenibles. Se ha comprobado que las estrategias de evaluación del impacto del ciclo de vida y de adopción de decisiones permiten a los gestores de los puentes mejorar la adopción de decisiones, en particular al final del ciclo de vida de los puentes mixtos.
Abstract
Steel-concrete composite bridges are used as an alternative to concrete bridges because of their ability to adapt their geometry to design constraints and the possibility of reusing some of the materials in the structure. In this review, we report the research carried out on the design, behavior, optimization, construction processes, maintenance, impact assessment, and decision-making techniques of composite bridges in order to arrive at a complete design approach. In addition to a qualitative analysis, a multivariate analysis is used to identify knowledge gaps related to bridge design and to detect trends in research. An additional objective is to make visible the gaps in the sustainable design of composite steel-concrete bridges, which allows us to focus on future research studies. The results of this work show how researchers have concentrated their studies on the preliminary design of bridges with a mainly economic approach, while at a global level, concern is directed towards the search for sustainable solutions. It is found that life cycle impact assessment and decision-making strategies allow bridge managers to improve decision-making, particularly at the end of the life cycle of composite bridges.
Reference:
MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). Steel-concrete composite bridges: design, life cycle assessment, maintenance and decision making.Advances in Civil Engineering, 2020, 8823370. DOI:10.1155/2020/8823370
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Mathematics, revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este artículo se presenta un algoritmo híbrido de enjambre de partículas y clustering para optimizar el coste y las emisiones de CO2 de un muro de contrafuertes. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El diseño de los muros de contrafuertes es un problema de optimización combinatoria de interés debido a las aplicaciones prácticas relativas al ahorro de costos que implica el diseño y la optimización en la cantidad de emisiones de CO2 generadas en su construcción. Por otro lado, este problema presenta importantes retos en cuanto a complejidad computacional, pues involucra 32 variables de diseño, por lo que tenemos en el orden de 10^20 combinaciones posibles. En este artículo proponemos un algoritmo híbrido en el que se integra el método de optimización del enjambre de partículas que resuelve los problemas de optimización en espacios continuos con la técnica de clustering db-scan. Este algoritmo optimiza dos funciones objetivo: las emisiones de carbono y el costo económico de los muros de hormigón armado. Para evaluar la contribución del operador del db-scan en el proceso de optimización, se diseñó un operador aleatorio. Se comparan las mejores soluciones, los promedios y los rangos intercuartílicos de las distribuciones obtenidas. A continuación se comparó el algoritmo db-scan con una versión híbrida que utiliza k-means como método de discretización y con una implementación discreta del algoritmo de búsqueda de armonía. Los resultados indican que el operador db-scan mejora significativamente la calidad de las soluciones y que la metaheurística propuesta muestra resultados competitivos con respecto al algoritmo de búsqueda de armonía.
Abstract:
The design of reinforced earth retaining walls is a combinatorial optimization problem of interest due to practical applications regarding the cost savings involved in the design and the optimization in the amount of CO2 emissions generated in its construction. On the other hand, this problem presents important challenges in computational complexity since it involves 32 design variables; therefore we have in the order of 10^20 possible combinations. In this article, we propose a hybrid algorithm in which the particle swarm optimization method is integrated that solves optimization problems in continuous spaces with the db-scan clustering technique, with the aim of addressing the combinatorial problem of the design of reinforced earth retaining walls. This algorithm optimizes two objective functions: the carbon emissions embedded and the economic cost of reinforced concrete walls. To assess the contribution of the db-scan operator in the optimization process, a random operator was designed. The best solutions, the averages, and the interquartile ranges of the obtained distributions are compared. The db-scan algorithm was then compared with a hybrid version that uses k-means as the discretization method and with a discrete implementation of the harmony search algorithm. The results indicate that the db-scan operator significantly improves the quality of the solutions and that the proposed metaheuristic shows competitive results with respect to the harmony search algorithm.
Keywords:
CO2 emission; earth-retaining walls; optimization; db-scan; particle swarm optimization
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability, revista indexada en JCR. En este artículo se evalúa el impacto social y ambiental de puentes de carretera óptimos de hormigón postesado. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
La mayoría de las definiciones de sostenibilidad incluyen tres pilares básicos: económico, ambiental y social. El aspecto económico siempre se evalúa, pero no necesariamente en el sentido de la sostenibilidad económica. Por otra parte, el aspecto ambiental se está considerando cada vez más, mientras que el pilar social apenas se ha trabajado en él. Centrándose en los pilares ambiental y social, resulta crucial el uso de metodologías que permitan una evaluación amplia de todos los aspectos y la integración de la evaluación en unos pocos indicadores que sean comprensibles. Este artículo se estructura en dos partes. En la primera parte se hace un examen de los métodos de evaluación del impacto del ciclo de vida, que permiten una evaluación amplia de los aspectos ambiental y social. En la segunda parte, se realiza una evaluación completa de la sostenibilidad ambiental y social utilizando la base de datos de ecoinvent y el método ReCiPe, para el pilar ambiental, y la base de datos SOCA y el método simple de ponderación del impacto social, para el pilar social. Esta metodología se utilizó para comparar tres puentes optimizados: dos puentes de carretera de hormigón postensado de sección en cajón con diversas características iniciales y de mantenimiento, y un puente prefabricado de hormigón pretensado. Los resultados muestran que existe una alta interrelación entre el impacto ambiental y social para cada etapa del ciclo de vida.
Abstract
Most of the definitions of sustainability include three basic pillars: economic, environmental, and social. The economic pillar has always been evaluated but not necessarily in the sense of economic sustainability. On the other hand, the environmental pillar is increasingly being considered, while the social pillar is weakly developed. Focusing on the environmental and social pillars, the use of methodologies to allow a wide assessment of these pillars and the integration of the assessment in a few understandable indicators is crucial. This article is structured into two parts. In the first part, a review of life cycle impact assessment methods, which allow a comprehensive assessment of the environmental and social pillars, is carried out. In the second part, a complete environmental and social sustainability assessment is made using the ecoinvent database and ReCiPe method, for the environmental pillar, and SOCA database and simple Social Impact Weighting method, for the social pillar. This methodology was used to compare three optimized bridges: two box-section post-tensioned concrete road bridges with a variety of initial and maintenance characteristics, and a pre-stressed concrete precast bridge. The results show that there is a high interrelation between the environmental and social impact for each life cycle stage.
En este artículo se aborda una metodología para reducir al mínimo la influencia subjetiva que tienen los decisores a la hora de tomar decisiones, en este caso, utilizando criterios relacionados con la sostenibilidad. Para este fin se ha utilizado el análisis de componentes principales (ACP), la optimización basada en kriging y el método AHP para buscar soluciones sostenibles, eliminando la relación entre criterios dependientes y asegurando la obtención de una solución sostenible frente a las diferentes perspectivas de los responsables de la toma de decisiones. Os dejo el artículo en abierto.
Referencia:
PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2019). Metodología para valorar la sostenibilidad con baja influencia de los decisores. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain, pp. 461-473. ISBN: 978–84–17924–58–4
En este caso, se trataba aplicar una técnica estadística procedente del diseño de experimentos, la metodología de la superficie de respuesta, a un cálculo estructural, en este caso, un muro. La optimización de procesos mediante la superficie de respuesta es habitual en el campo de la experimentación. La idea es considerar que el cálculo de una estructura se puede considerar también un experimento, donde los datos de entrada son las variables y parámetros que definen dicha estructura y el resultado final es el coste. En este caso, se trata de minimizar el coste. Esta metodología es muy interesante para los estudiantes de máster. Ya hemos publicado algún artículo sobre el mismo tema aplicado a puentes pretensados. Os dejo el artículo en abierto. En este caso se han optimizado las emisiones de CO2.
Referencia:
YEPES, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V. (2019). Optimización de muros de hormigón mediante la metodología de la superficie de respuesta. 5th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2019, 23-25 oct 2019, Alicante, Spain, pp. 603-615. ISBN: 978–84–17924–58–4
Figura 1. Defensa de tesis doctoral de Vicent Penadés Plà.
Hoy 12 de marzo de 2020 ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Vicent Penadés Plà titulada “Life-cycle sustainability design of post-tensioned box-girder bridge obtained by metamodel-assisted optimization and decision-making under uncertainty“, dirigida por Víctor Yepes Piqueras y Tatiana García Segura. La tesis recibió la calificación de “Sobresaliente cum laude” por unanimidad. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.
Resumen:
Actualmente existe una tendencia hacia la sostenibilidad, especialmente en los países desarrollados donde la preocupación de la sociedad por el deterioro ambiental y los problemas sociales ha aumentado. Siguiendo esta tendencia, el sector de la construcción es uno de los sectores que mayor influencia tiene debido a su alto impacto económico, ambiental y social. Al mismo tiempo, existe un incremento en la demanda de transporte que provoca la necesidad de desarrollo y mantenimiento de las infraestructuras necesarias para tal fin. Con todo esto, los puentes se convierten en una estructura clave, y por tanto, la valoración de la sostenibilidad a lo largo de toda su vida es esencial.
El objetivo principal de esta tesis es proponer una metodología que permita valorar la sostenibilidad de un puente bajo condiciones iniciales inciertas (subjetividad del decisor o variabilidad de parámetros iniciales) y optimizar el diseño para obtener puentes óptimos robustos. Para ello, se ha realizado una extensa revisión bibliográfica de todos los trabajos en los que se realiza un análisis de la sostenibilidad mediante la valoración de criterios relacionados con sus pilares principales (económico, medio ambiental o social). En esta revisión, se ha observado que la forma más completa de valorar los pilares medioambientales y sociales es mediante el uso de métodos de análisis de ciclo de vida. Estos métodos permiten llevar a cabo la valoración de la sostenibilidad durante todas las etapas de la vida de los puentes. Todo este procedimiento proporciona información muy valiosa a los decisores para la valoración y selección del puente más sostenible. No obstante, las valoraciones subjetivas de los decisores sobre la importancia de los criterios influyen en la evaluación final de la sostenibilidad. Por esta razón, es necesario crear una metodología que reduzca la incertidumbre asociada y busque soluciones robustas frente a las opiniones de los agentes implicados en la toma de decisiones.
Además, el diseño y toma de decisiones en puentes está condicionado por los parámetros inicialmente definidos. Esto conduce a soluciones que pueden ser sensibles frente a pequeños cambios en dichas condiciones iniciales. El diseño óptimo robusto permite obtener diseños óptimos y estructuralmente estables frente a variaciones de las condiciones iniciales, y también diseños sostenibles y poco influenciables por las preferencias de los decisores que forman parte del proceso de toma de decisión. Así pues, el diseño óptimo robusto se convierte en un proceso de optimización probabilística que requiere un gran coste computacional. Por este motivo, el uso de metamodelos se ha integrado en la metodología propuesta. En concreto, se ha utilizado hipercubo latino para la definición de la muestra inicial y los modelos kriging para la definción de la aproximación matemática. De esta forma, la optimización heurística basada en kriging ha permitido reducir más de un 90% el coste computacional respecto a la optimización heurística conveniconal obteniendo resultados muy similares.
El estudio del diseño óptimo y estructuralmente estable frente a variaciones de las condiciones iniciales se ha llevado a cabo variando tres parámetros iniciales (módulo de elasticidad, sobrecarga, y fuerza de pretensado). El objetivo del caso de estudio analizado ha sido obtener el diseño más económico y con menor variación de la respuesta estructural. De esta forma, se consigue una frontera de Pareto que permite seleccionar la solución óptima, la solución más robusta o una solución de compromiso entre las dos. Por otro lado, el estudio de diseños sostenibles y poco influenciables por las preferencias de los decisores se ha llevado a cabo generando una gran cantidad de decisores aleatorios para cubrir todas las posibles preferencias de los interesados. El objetivo del caso de estudio ha sido reducir la participación subjetiva de los decisores. De esta forma, se ha podido reducir todo el abanico de diseños posibles a un número reducido de diseños concretos, y seleccionar aquel diseño con mejor media sostenible o menor variabilidad en la valoración.
Esta tesis proporciona en primer lugar, una amplia revisión bibliográfica, tanto de los criterios utilizados para la valoración de la sostenibilidad en puentes como de los diferentes métodos de análisis de ciclo de vida para obtener un perfil completo de los pilares ambientales y sociales. Posteriormente, se define una metodología para la valoración completa de la sostenibilidad, usando métodos de análisis de ciclo de vida. Asimismo, se propone un enfoque que permite obtener estructuras poco influenciables por los parámetros estructurales, así como por las preferencias de los diferentes decisores frente a los criterios sostenibles. La metodología proporcionada en esta tesis es aplicable a cualquier otro tipo de estructura.
Palabras clave:
Sostenibilidad, Toma de decisiones, Análisis de ciclo de vida, Métodos de valoración del impacto del análisis de ciclo de vida, ReCiPe, Ecoinvent, SOCA, Metamodelos, Kriging, Diseño óptimo robusto, Puentes.
Figura 2. De izquierda a derecha: Julián Alcalá, Tatiana García, Víctor Yepes, Vicent Penadés, Salvador Ivorra y Rasmus Rempling
PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2019). Accelerated optimization method for low-embodied energy concrete box-girder bridge design.Engineering Structures, 179:556-565. DOI:10.1016/j.engstruct.2018.11.015
GARCÍA-SEGURA, T.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V. (2018). Sustainable bridge design by metamodel-assisted multi-objective optimization and decision-making under uncertainty.Journal of Cleaner Production, 202: 904-915. DOI:1016/j.jclepro.2018.08.177
PONS, J.J.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Life cycle assessment of earth-retaining walls: An environmental comparison.Journal of Cleaner Production, 192:411-420. DOI:1016/j.jclepro.2018.04.268
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.
Hoy 22 de noviembre de 2019 ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Ignacio J. Navarro Martínez titulada “Life cycle assessment applied to the sustainable design of prestressed bridges in coastal environments“, dirigida por Víctor Yepes Piqueras y José V. Martí Albiñana. La tesis recibió la calificación de “Sobresaliente Cum Laude” por unanimidad. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.
Resumen:
La sostenibilidad ha ido adquiriendo una presencia relevante en nuestra sociedad desde su primera definición en 1987 por parte de la Comisión Brundtland. Desde entonces, la comunidad científica ha llevado a cabo importantes esfuerzos en el desarrollo de normativas, herramientas y criterios para lograr diseños en esa línea. A pesar de ello, estos esfuerzos no han sido suficientes para lograr trazar un futuro realmente sostenible a corto plazo. Como respuesta al estado actual e insuficiente de desarrollo, las Naciones Unidas han establecido recientemente los Objetivos de Desarrollo Sostenible, los cuales deben alcanzarse en 2030. En dichos Objetivos se atiende explícitamente al papel de las infraestructuras, que se revelan como elementos clave para asegurar la consecución de los mencionados Objetivos. Sin embargo, a pesar de las relevantes implicaciones del diseño de infraestructuras, y a pesar de que la mayoría de las infraestructuras están diseñadas para servir a un grupo significativo de personas durante un periodo intergeneracional de tiempo, el diseño sostenible y resiliente de infraestructuras todavía carece de una metodología estandarizada que considere sus ciclos de vida desde una perspectiva holística. En la actualidad, tanto las metodologías de evaluación del ciclo de vida ambiental como las económicas muestran un estado de desarrollo relativamente maduro. Sin embargo, la dimensión social todavía se considera en estado embrionario, comprometiendo por tanto el empleo de métodos de evaluación multidimensionales de la sostenibilidad.
Flamante doctor junto con el tribunal (Salvador Ivorra, Juan José del Coz y Julián Alcalá) y los directores de tesis (Víctor Yepes y José V. Martí)
La presente tesis propone una metodología extendida basada en la norma ISO 14040 de enfoque puramente medioambiental para evaluar la sostenibilidad del ciclo de vida de las infraestructuras mediante la consideración simultánea y coherente de las tres dimensiones de la misma, a saber, el medio ambiente, la economía y la sociedad. Se propone aquí una nueva metodología para evaluar las infraestructuras desde la dimensión social, integrando al mismo tiempo dichas evaluaciones en un marco basado en la norma ISO 14040. A continuación, se aplica una técnica de toma de decisión multicriterio para integrar las tres perspectivas. Con el fin de tener en cuenta las incertidumbres no probabilísticas implicadas en la asignación de pesos al emplear dichas técnicas, se propone aquí un nuevo enfoque neutrosófico para la determinación de los pesos resultantes de la aplicación de la técnica AHP con grupos de decisores. Se ha considerado como caso de estudio el diseño sostenible de un puente de hormigón pretensado en un entorno costero para construir la metodología propuesta. El enfoque holístico en la evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras se revela esencial frente a las habituales evaluaciones basadas únicamente en la consideración de la dimensión medioambiental. Se ha observado que el mantenimiento preventivo resulta más sostenible a lo largo del ciclo de vida en comparación con las estrategias de mantenimiento reactivo. Esta tesis proporciona una guía para el diseño sostenible de estructuras de hormigón, aunque la metodología sugerida puede aplicarse a cualquier tipo de infraestructura.
Referencias:
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2019). Sustainability assessment of concrete bridge deck designs in coastal environments using neutrosophic criteria weights.Structure and Infrastructure Engineering, DOI: 10.1080/15732479.2019.1676791
NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2019). Reliability-based maintenance optimization of corrosion preventive designs under a life cycle perspective.Environmental Impact Assessment Review, 74:23-34. DOI:1016/j.eiar.2018.10.001
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2018). Life cycle impact assessment of corrosion preventive designs applied to prestressed concrete bridge decks.Journal of Cleaner Production, 196: 698-713. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.06.110
NAVARRO, I.J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Social life cycle assessment of concrete bridge decks exposed to aggressive environments.Environmental Impact Assessment Review, 72:50-63. DOI:1016/j.eiar.2018.05.003
Figura descriptiva del ODS-9 Industria, Innovación e Infraestructura
El 25 de septiembre de 2015, los líderes mundiales adoptaron un conjunto de objetivos globales para erradicar la pobreza, proteger el planeta y asegurar la prosperidad para todos como parte de una nueva agenda de desarrollo sostenible. Se trata de metas que deben alcanzarse con un horizonte puesto en el año 2030. Constituyen una iniciativa impulsada por Naciones Unidas para dar continuidad a la agenda de desarrollo tras los Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM). Son 17 objetivos y 169 metas propuestos como continuación de los ODM incluyendo nuevas esferas como el cambio climático, la desigualdad económica, la innovación, el consumo sostenible y la paz, y la justicia, entre otras prioridades.
Desarrollar infraestructuras fiables, sostenibles, resilientes y de calidad, incluidas infraestructuras regionales y transfronterizas, para apoyar el desarrollo económico y el bienestar humano, haciendo especial hincapié en el acceso asequible y equitativo para todos.
9.2 INDUSTRIAS INCLUSIVA Y SOSTENIBLE
Promover una industrialización inclusiva y sostenible y, de aquí a 2030, aumentar significativamente la contribución de la industria al empleo y al producto interno bruto, de acuerdo con las circunstancias nacionales, y duplicar esa contribución en los países menos adelantados.
9.3 ACCESO A PYMES A SERVICIOS FINANCIEROS Y CADENAS DE VALOR
Aumentar el acceso de las pequeñas industrias y otras empresas, particularmente en los países en desarrollo, a los servicios financieros, incluidos créditos asequibles, y su integración en las cadenas de valor y los mercados.
9.4 MODERNIZAR INFRAESTRUCTURA, TECNOLOGÍA LIMPIA
De aquí a 2030, modernizar la infraestructura y reconvertir las industrias para que sean sostenibles, utilizando los recursos con mayor eficacia y promoviendo la adopción de tecnologías y procesos industriales limpios y ambientalmente racionales, y logrando que todos los países tomen medidas de acuerdo con sus capacidades respectivas.
Aumentar la investigación científica y mejorar la capacidad tecnológica de los sectores industriales de todos los países, en particular los países en desarrollo, entre otras cosas fomentando la innovación y aumentando considerablemente, de aquí a 2030, el número de personas que trabajan en investigación y desarrollo por millón de habitantes y los gastos de los sectores público y privado en investigación y desarrollo.
9.A APOYO A INFRAESTRUCTURAS SOSTENIBLES Y RESILIENTES
Facilitar el desarrollo de infraestructuras sostenibles y resilientes en los países en desarrollo mediante un mayor apoyo financiero, tecnológico y técnico a los países africanos, los países menos adelantados, los países en desarrollo sin litoral y los pequeños Estados insulares en desarrollo.
9.B TECNOLOGÍA, INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN
Apoyar el desarrollo de tecnologías, la investigación y la innovación nacionales en los países en desarrollo, incluso garantizando un entorno normativo propicio a la diversificación industrial y la adición de valor a los productos básicos, entre otras cosas.
9.C ACCESO A TIC E INTERNET
Aumentar significativamente el acceso a la tecnología de la información y las comunicaciones y esforzarse por proporcionar acceso universal y asequible a Internet en los países menos adelantados de aquí a 2020.
Pues bien, con motivo de estos objetivos, la periodista Agustina Barbaresi ha elaborado una serie de entrevistas a expertos en cada uno de estos temas y ha creado la serie “17 caras para los ODS”, que se publica en la sección byzness, en la sección de economía de El Periódico. En este caso, tuve la oportunidad de ser entrevistado en relación al ODS-9, en especial con lo relacionado con las infraestructuras. La entrevista completa la podéis ver en: https://byzness.elperiodico.com/es/entorno/20191031/entrevusta-ods-9-victor-yepes-upv-infraestructuras-sostenibles-7707560 pero os pongo aquí un extracto de la misma. Espero que os sea de interés.
El sector de la construcción es uno de las que más recursos naturales consume y uno de las que más gases de efecto invernadero emite. ¿Qué pasos deben darse para ir hacia una industria más sostenible?
La construcción es una actividad humana que permite el desarrollo de infraestructuras de todo tipo cuyo objetivo último es garantizar la economía y el bienestar de la población. Dicha actividad, junto con la minería, conforma un sector que es uno de los que consume mayor cantidad de recursos naturales, tanto renovables como no renovables. Para hacerse una idea, agota 2/5 partes de los áridos y ¼ de la madera, consumiendo el 40% de la energía total y el 16% de agua al año. Además, la fabricación del cemento necesario para la producción de hormigón origina, aproximadamente, un 7% del total de CO2 emitido a la atmósfera. Si se quiere mantener tanto la actividad económica como el bienestar social, resulta evidente que hay que reorientar la industria de la construcción para reducir al máximo este tipo de impactos. La buena noticia es que se ha desarrollado tecnología suficiente para que ello sea posible. Se trata proyectar y construir de forma diferente, considerando el impacto originado por el ciclo de vida completo de las infraestructuras, que no solo deben ser seguras, económicas, funcionales y con alta durabilidad, sino que desde el proyecto se deben incorporar otros objetivos como son los ambientales y los sociales. En este sentido, la prefabricación, el desarrollo de nuevos materiales y productos, la incorporación de técnicas de trabajo colaborativo tipo BIM, la inteligencia artificial, la monitorización y el seguimiento en tiempo real de las infraestructuras, la robotización y la automatización de los procesos constructivos, las nuevas formas de gestión como Lean Construction, entre otras muchas, son técnicas que permiten una gestión inteligente no solo de la construcción, sino del mantenimiento y explotación de las infraestructuras incorporando objetivos adicionales que, y esto es lo más importante, deben valorarse y exigirse por parte de la sociedad, la administración y las empresas.
¿Pueden avances tecnológicos tales como la inteligencia artificial o el big data contribuir a construir estructuras de manera más sostenible?
Tal y como hemos comentado anteriormente, estos avances tecnológicos son factores susceptibles de mejorar la sostenibilidad de las infraestructuras, pero son claramente insuficientes. El manejo de ingentes cantidades de datos para su uso en la toma de decisiones ha superado ampliamente las expectativas que solo hace unos pocos años se tenían al respecto. Esta misma semana se ha presentado en la revista Nature la primera demostración empírica del concepto de supremacía cuántica. Así, con una noticia que ha destapado cierta controversia, Google afirma que ha realizado en 200 segundos una tarea que, según sus cálculos, hubiera costado 10.000 años al superordenador más potente del mundo. Las implicaciones de todo tipo de este avance causan vértigo.
En efecto, esto abre una puerta de una importancia insospechada, pues permitirá, en breve, modelizar todo tipo de infraestructuras, construyendo gemelos digitales “Digital Twins”, que interactuarán con sus correspondientes entes reales retroalimentando, mejorando el modelo y dando previsiones en tiempo real sobre el comportamiento presente y futuro de las infraestructuras. La ingeniería del futuro inmediato no proyectará simplemente, sino que construirá modelos digitales antes de la materialización de las obras, y que luego retroalimentará con datos actualizados para tomar decisiones en tiempo real durante toda su vida útil. Además, del aprendizaje automático de la retroalimentación, se obtendrá conocimiento aplicable a otros casos similares. Estos modelos híbridos entre el mundo real y el digital estarán conectados en red, con lo que la suma de conocimiento será exponencial. Evidentemente, entre los datos de los que se alimentará el modelo estarán los que influyen en los aspectos de sostenibilidad antes mencionados, pero seguro que en muchos otros que ahora, incluso, no somos capaces de adivinar y que incluirán el comportamiento de las infraestructuras ante hechos que se consideraban poco probables (catástrofes climáticas, geológicas, inestabilidad social, etc.).
Sin embargo, he comentado que no son condiciones suficientes para el cambio. Al final, será el factor humano el que tenga que decidir en base a las previsiones y modelos a su alcance. Se dispondrá de mayor información, pero la responsabilidad última debería ser humana.
Cuando se habla de sostenibilidad, sobre todo en sectores como la construcción, se tiende a pensar que hablamos únicamente de impacto ambiental. ¿Qué otros factores se evalúan?
Se ha hablado mucho de sostenibilidad ambiental en estos últimos años, de igual forma que antes se orientaban las infraestructuras hacia la sostenibilidad económica. Ambos factores deben seguir siendo prioritarios cuando se planifican, construyen y gestionan las infraestructuras. Sin embargo, hoy día cobra mayor importancia la sostenibilidad social. Este es un aspecto más complejo de analizar y es objeto de estudio en los últimos trabajos publicados en el ámbito científico.
En efecto, ya se ha dicho que las infraestructuras de todo tipo (carreteras, puertos, presas, encauzamientos, túneles, telecomunicaciones, hospitales, depuradoras, vivienda, ferrocarriles, industrias, etc.), a las cuales habría que añadir otras como las playas, el paisaje, los bosques, los océanos, los ríos o los ecosistemas naturales, son fundamento de las actividades económicas y del bienestar social presente y futuro de todos. Al comportarse como sistemas, cualquier alteración en una parte afectará al resto de forma irremediable.
Así, la implantación de una infraestructura en un territorio tiene un efecto a corto plazo en aspectos sociales como el empleo y otros a largo plazo como el despegue de determinadas actividades económicas. Pero el efecto es diferente en función del territorio. No es lo mismo la implantación de un hospital en una población aislada, sin ninguna infraestructura de este tipo, que la misma infraestructura en una ciudad donde ya existen decenas de hospitales.
El impacto social, por tanto, tiene al tiempo como un factor clave. Pero es que son muchos los impactos a valorar. Se ha mencionado el empleo pero se puede seguir con la sanidad, la educación, la seguridad ciudadana, la equidad social, la esperanza de vida, y otros que derivan directamente de aspectos ambientales como el ruido, la contaminación del agua, del aire, etc. En definitiva se trata del bienestar social, habiendo gobiernos, como el neozelandés, que ya anunciado que su presupuestó no se basará en el PIB como indicador de prosperidad, sino en otro basado en el bienestar. Llevado al extremo se podría hablar del índice de felicidad nacional propuesto por Bután.
Pero el problema aún es más complejo. Gran parte de las infraestructuras de todo tipo de la que gozan muchas naciones se han financiado a largo plazo y no se han previsto presupuestos suficientes para su mantenimiento. Se trata de una verdadera “crisis de las infraestructuras” de la que muy pocos hablan. La profunda crisis financiera global del 2008 priorizó la reducción a toda costa del déficit público. Esta crisis puede provocar que las generaciones futuras tengan que pagar la deuda de unas infraestructuras que disfrutaron sus padres y que ellos, además, se vean obligados a reparar. Por tanto, la equidad intergeneracional cobra una especial importancia en el caso de la gestión de las infraestructuras.
¿Cómo podemos saber si una infraestructura es o no sostenible? ¿Hay criterios unificados, ya sea técnicos o de otro tipo?
Desde mi punto de vista, el análisis del ciclo de vida constituye un proceso objetivo que permite evaluar las cargas ambientales y sociales asociadas a un producto, proceso o actividad, y por tanto, también a las infraestructuras. Se trata de una metodología que realiza un análisis de la cuna a la tumba, es decir, se trata de una herramienta de diseño que investiga y evalúa todos los impactos que incluye desde la extracción de las materias primas, la producción, distribución, uso y final de la vida útil, con su posible reutilización, reciclaje, valorización o eliminación de los residuos o desechos. Las normas internacionales ISO 140040 (principios y marco de referencia del análisis del ciclo de vida) e ISO 140044 (requisitos y directrices) son los documentos marco para dicho análisis. Aquí, lo más importante, es la coherencia y las hipótesis realizadas en las valoraciones. Por tanto, la existencia de amplias bases de datos actualizadas y consensuadas supone una necesidad para este tipo de evaluaciones. Además, estas evaluaciones deben ser transparentes y susceptibles de ser analizadas y criticadas por terceros a la hora de comparar distintos productos, procesos o servicios. También en el ámbito del sector de la construcción. La exigencia por parte de las administraciones públicas de la inclusión de análisis detallados de ciclo de vida en los proyectos de infraestructuras debería ser ya una obligación ineludible.
¿En qué consiste el método de redes bayesianas? ¿Existen otras metodologías que se puedan aplicar a la toma de decisiones relacionadas con la sostenibilidad social de los proyectos?
En preguntas anteriores hemos insistido en la importancia del factor humano en la toma de decisiones. Sin embargo, los datos de partida, las hipótesis o los criterios tomados pueden verse afectados por imprecisiones, cambios en los escenarios previstos o por cierta variabilidad que puede influir en el resultado de la decisión. Para evitar este tipo de problemas asociados con la incertidumbre, la investigación científica en este campo incluye análisis de sensibilidad en sus estudios para comprobar si las decisiones tomadas son robustas frente a cierta variación en las hipótesis o datos considerados. Las redes bayesianas, la lógica difusa, la teoría neutrosófica, la teoría de juegos, entre otros, son herramientas que sirven a este efecto.
Como se puede comprobar, las herramientas necesarias para afrontar este tipo de problemas de decisión tan complejos están a disposición de la comunidad científica. Ahora falta transferir de forma efectiva estos conocimientos al tejido empresarial y a las administraciones públicas para garantizar al máximo la toma de decisiones en aspectos tan relevantes como son las infraestructuras.
¿Cómo se educa a un ingeniero en sostenibilidad?
Existen al menos dos aproximaciones respecto a esta cuestión. La primera es la introducción paulatina de conceptos de sostenibilidad en las asignaturas que conforman el currículo del ingeniero. Incluso con asignaturas específicas donde se trate este tema. Se trata de un enfoque reactivo, una respuesta lenta y desfasada en el tiempo respecto a las necesidades. No obstante, este enfoque ya se está aplicando en gran parte de nuestras universidades.
Pero no es suficiente. No hay que olvidar que las escuelas técnicas deberían formar ingenieros para enfrentarse a una profesión que será totalmente diferente a la actual. Dicho de otra forma, la segunda aproximación sería la formación del ingeniero para la profesión que ejercerá dentro, digamos, de 20 años. Este segundo enfoque, sin duda, sería el adecuado y el más efectivo. Sin embargo, aunque se vislumbra lo que puede ser el futuro, sin duda, éste es incierto, y ello no deja de ser un obstáculo más a vencer.
Por tanto, habría que tomar una posición pragmática respecto a la educación. Debe existir una interacción constante entre la oferta y la demanda de cualificaciones en el mercado de trabajo. Por una parte, es imprescindible una adaptación constante de los planes de estudio a las nuevas realidades, venciendo muchas inercias internas. Por otro lado, la universidad debería incorporar lo antes posible al proceso de aprendizaje de los estudiantes las últimas novedades técnicas y científicas. Pero, además, esta transferencia debería también ser efectiva en las empresas y en las administraciones públicas. Las inercias en la licitación, adjudicación, construcción, gestión y mantenimiento de las infraestructuras dificultan enormemente el rápido cambio que demanda la sociedad.
¿Hay inquietud por la innovación en sostenibilidad en el ámbito universitario? ¿Existen ejemplos de proyectos de investigación académicos de universidades españolas relacionados con infraestructuras sostenibles?
La respuesta es afirmativa. Los proyectos de investigación acometidos por las universidades se financian por administraciones públicas, por empresas u otro tipo de entidades que orientan claramente sus objetivos hacia aspectos relacionados con la sostenibilidad. Dicho de otro modo, resulta difícil encontrar un proyecto de investigación actual que no se relacione, en mayor o menor medida, con alguno de los objetivos de sostenibilidad, ya sea ambiental o social. Por otra parte, el desarrollo tecnológico y la innovación basada en aspectos relacionados con la sostenibilidad constituyen, probablemente, el aspecto más trabajado en el ámbito empresarial. Ejemplos como la compra pública innovadora, la industrialización de viviendas sostenibles, la normalización y la prefabricación, ciudades inteligentes, economía circular, nuevos materiales, carreteras sostenibles, puentes inteligentes, optimización energética en viviendas, infraestructuras resilientes, son entre otros muchos más ejemplos, casos reales de I+D+I en el ámbito de las infraestructuras sostenibles. En el caso de nuestro grupo de investigación, en la Universidad Politécnica de Valencia, el último proyecto en el que estamos inmersos se denomina DIMALIFE: “Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes e infraestructuras viarias de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos”. Como se puede comprobar, esta línea de investigación es muy actual y productiva en resultados científicos.
Pero no todo son buenas noticias. Según el último informe COTEC 2019 sobre la innovación en España, los presupuestos de la Administración General del Estado y los de las Comunidades Autónomas redujeron las partidas destinadas a I+D+I, con unas bajas tasas de ejecución. En el año 2017 la inversión en I+D llegó al 1,20% del PIB, lejos del 2% que se fijó para el 2020. Estas cifras no son mucho mejores en el ámbito de la construcción. Por tanto existe un claro déficit presupuestario en los sectores públicos y privados que apoyen de forma más decidida la innovación, especialmente en el ámbito de la construcción.
¿Qué países del mundo muestran un mayor poderío en infraestructura sostenible? ¿Qué podemos aprender de ellos?
Es difícil establecer un ranking de países que lideren la construcción sostenible. Existen ejemplos como Noruega, donde la construcción de la Ópera de Oslo supuso un punto de inflexión en cuanto a la arquitectura sostenible. También existen ejemplos en países como Irlanda, Canadá o Australia. Otros países son contradictorios. Así, el Hotel Aliah, construido con motivo del Campeonato Mundial de Fútbol de 2014 es un ejemplo de los proyectos más ecológicos de Brasil, lo cual no significa que este país sea, en todos los ámbitos, líder en esta lista de construcción sostenible.
El problema, desde mi punto de vista, debería ser la lista de los países que están consumiendo de forma masiva recursos en la construcción, por estar en procesos de rápido crecimiento económico, o bien los países más contaminantes del mundo, entre los que estarían China, Estados Unidos, la India o Rusia.
¿Quién está innovando hoy más en el sector de las infraestructuras en España?
La capacidad tecnológica e innovadora de las empresas constructoras y consultoras españolas es de primer nivel en el ámbito internacional. Baste recordar que son estas empresas las que están abordando el diseño, la construcción y la gestión de grandes y complejos proyectos de infraestructuras. Pero esto no es fruto de la casualidad. La crisis económica en España trajo consigo una fuerte internacionalización de las empresas del sector de la construcción y de la gestión de infraestructuras que lideran las listas de las empresas mayores del mundo por ingresos internacionales.
Por tanto, la innovación en el ámbito de las infraestructuras no ha sido gratuita, sino que deriva de la experiencia adquirida en grandes obras realizadas en nuestro país (carreteras, obras hidráulicas, puertos, ferrocarriles, etc.) y de la sólida formación técnica recibida por nuestros ingenieros.
No obstante, la gestión de las grandes obras de infraestructuras, del transporte, del territorio, etc., alcanza no solo al ámbito del proyecto y la construcción, sino también al de la gestión. Es por ello que las administraciones y empresas públicas han incorporado gran parte de las innovaciones que en el ámbito de las estructuras se han desarrollado en los últimos años.
Con todo, no hay que olvidar el fuerte esfuerzo realizado en el ámbito de la investigación y el desarrollo tecnológico por parte de las universidades, institutos de investigación y empresas. No solo ha sido investigación básica, sino también investigación aplicada que ha sido transferida, en numerosas ocasiones, al tejido empresarial.
¿Qué opinas de los Objetivos de Desarrollo Sostenible enunciados por la ONU? ¿Se cumplirá la Agenda 2030?
La buena noticia es que existen dichos objetivos y se están difundiendo y trabajando en ellos de forma global. Sin duda, ha sido un gran acierto plasmar en un documento los grandes objetivos que tenemos por delante si, como especie, queremos sobrevivir. Es seguro que se lograrán avances en muchos de los aspectos planteados. Sin embargo, en mi opinión, existe cierto desfase entre la necesidad de cumplir con los objetivos y la emergencia que existe por conseguirlos. Desgraciadamente no todos los países, especialmente algunos de los más influyentes, están totalmente alineados con la consecución de estos objetivos por múltiples motivos. No obstante, creo que los avances tecnológicos, especialmente en el ámbito de la inteligencia artificial y las nuevas capacidades de los ordenadores cuánticos, pueden suponer un punto de inflexión. Lo que no tengo claro es si llegaremos a tiempo. Tampoco si nuestros déficits en cuanto a ética y valores seguirán aumentando a la misma velocidad que nuestros avances tecnológicos. Espero que el sentido común sea uno de los efectos positivos de la globalización, pues se trata de una de las armas más potentes, junto con la voluntad de acción, de las que disponemos para afrontar el futuro.
Os dejo unos vídeos sobre el ODS-9. Son de carácter divulgativo, pero pueden ser de interés.
DIMALIFE: Diseño y mantenimiento óptimo robusto y basado en fiabilidad de puentes de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos
Reliability-based robust optimum design and maintenance of high social and environmental efficiency of bridges under restrictive budgets
Víctor Yepes*, a, Eugenio Pellicer b, José V. Martí c, Moacir Kripka d
a Dr. Ingeniero de Caminos. Catedrático de Universidad. ICITECH, Universitat Politècnica de València.
b Dr. Ingeniero de Caminos. Catedrático de Universidad. Universitat Politècnica de València.
c Dr. Ingeniero de Caminos. Profesor Titular de Universidad. ICITECH, Universitat Politècnica de València.
d Dr. Ingeniero Civil. Catedrático de Universidad. Universidade de Passo Fundo, Brasil.
* Persona de contacto / Corresponding author
RESUMEN
El artículo expone los resultados alcanzados dentro del proyecto de investigación DIMALIFE. Se desarrolla una metodología que incorpora la variabilidad en los procesos de toma de decisiones en el ciclo completo de vida de puentes e infraestructuras viarias, de forma que se contemplen las necesidades e intereses sociales y ambientales con presupuestos restrictivos. La variabilidad inherente a los parámetros, variables y restricciones del problema resulta crítica si se dan por buenas soluciones optimizadas, que pueden encontrarse al borde de la infactibilidad. Se precisa introducir en el análisis la optimización multiobjetivo basada en fiabilidad y conseguir diseños óptimos robustos.
ABSTRACT
The article presents the results achieved within the DIMALIFE research project. It develops a methodology that incorporates variability in decision-making processes during the whole life cycle of bridges and highway infrastructures, so that social and environmental needs and interests are taken into account with restrictive budgets. The variability inherent in the parameters, variables and constraints of the problem is critical if they are given by good optimized solutions, which can be on the verge of infactibility. Multi-objective optimisation based on reliability needs to be introduced into the analysis and robust optimal designs achieved.
PALABRAS CLAVE: puentes, sostenibilidad, ciclo de vida, optimización multiobjetivo, fiabilidad.
KEYWORDS: bridges, sustainability, life cycle, multi-objective optimisation, reliability
INTRODUCCIÓN
Las vías de comunicación terrestre, y en especial los puentes, son infraestructuras básicas en el desarrollo económico, en el equilibrio territorial y en el bienestar social, cuya construcción, diseño, conservación y desmantelamiento se ven afectados significativamente cuando los presupuestos son restrictivos. Su deterioro y su incidencia en la seguridad son objeto de gran alarma social. Si además el mantenimiento es ineficiente, la reparación conlleva costes mayores. El objetivo principal del proyecto DIMALIFE consiste en desarrollar una metodología que permita incorporar la variabilidad en los procesos analíticos en la toma de decisiones en el ciclo completo de vida de puentes e infraestructuras viarias, incluyendo la licitación de proyectos de obra nueva y de mantenimiento de activos existentes, de forma que se contemplen las necesidades e intereses sociales y ambientales.
Una alternativa al proyecto secuencial de infraestructuras y del mantenimiento de las existentes es el diseño totalmente automático utilizando técnicas de optimización, capaces de incorporar múltiples funciones objetivo y cuyo resultado es la generación de un conjunto de soluciones eficientes. No obstante, esta metodología presenta limitaciones que el proyecto DIMALIFE pretende superar.
El empleo de técnicas de análisis del valor y toma de decisiones ha supuesto un gran avance en la definición de un indicador de sostenibilidad. Este enfoque se amplió en anteriores proyectos de investigación al considerar el ciclo completo de la vida de una estructura o el uso de hormigones de baja huella de carbono, incluyendo, asimismo en el proceso los aspectos sociales y medioambientales mediante técnicas analíticas de toma de decisiones multicriterio tanto de forma previa a los procesos de optimización multiobjetivo, como posteriormente en la priorización de las soluciones eficientes. Sin embargo, en el mundo real, las infraestructuras presentan una variabilidad inherente a los parámetros, variables y restricciones del problema. Este aspecto resulta crítico si se dan por buenas soluciones optimizadas, que pueden encontrarse al borde de la infactibilidad en cuanto se altera mínimamente alguno de los valores que definen el problema. Se precisa, por ello, introducir en el análisis la optimización multiobjetivo basada en fiabilidad y conseguir diseños óptimos robustos, tanto de infraestructuras nuevas como del mantenimiento de las existentes, considerando el ciclo de vida hasta su desmantelamiento. Para que este procedimiento sea abordable en tiempos de cálculo razonable se precisa el uso de metamodelos (redes neuronales, modelos Kriging, superficie de respuesta, etc.) dentro de las técnicas de optimización.
Por otra parte, la fuerte limitación presupuestaria presente en momentos de crisis compromete seriamente las políticas de creación y conservación de las infraestructuras. Los resultados esperados, tras un análisis de sensibilidad de distintas políticas presupuestarias asociadas a un horizonte temporal, pretenden detallar qué tipologías, actuaciones concretas de conservación y alternativas de demolición y reutilización son adecuadas para minimizar los impactos ambientales y sociales considerando la variabilidad. En este sentido, un aspecto importante consiste en determinar los criterios e indicadores clave para garantizar una efectiva integración de la sostenibilidad en la licitación de proyectos de obra y de mantenimiento de infraestructuras viarias.
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
La sostenibilidad económica y social depende directamente del comportamiento fiable y duradero de sus infraestructuras [1]. La construcción y mantenimiento de las infraestructuras viarias y puentes afectan fuertemente en la actividad económica, el crecimiento y el empleo. Sin embargo, estas actividades impactan en el medio ambiente, presentan efectos irreversibles y pueden comprometer el presente y el futuro de la sociedad. El gran reto, por tanto, será disponer de infraestructuras que maximicen su beneficio social sin comprometer su sostenibilidad [2].
Por otra parte, el envejecimiento de las infraestructuras, la mayor demanda en su desempeño (aumento de tráfico, por ejemplo) o los riesgos naturales extremos afectan a su al rendimiento [3]. Si a ello añadimos la crisis financiera que ha afectado la economía de nuestro país, el panorama se complica. Las infraestructuras que se crearon con una financiación a largo plazo presentan actualmente déficits de conservación y es posible que las generaciones futuras tengan que hacer un esfuerzo adicional para actualizar los requisitos de seguridad y funcionalidad a su nivel de servicio previsto [4].
Existen dificultades cuando se emprende un análisis de ciclo de vida de una infraestructura debido a las incertidumbres presentes en la definición de las entradas y salidas del sistema. El reto implica un proceso de toma de decisiones que minimice los impactos sociales y medioambientales al coste más bajo posible [5]. Varios trabajos han tratado de cuantificar la sostenibilidad en los proyectos de puentes [6-8].
Con todo, la línea de investigación no puede quedarse en la mera optimización económica del hormigón estructural, que podría ser un objetivo a corto plazo de interés evidente para las empresas constructoras o de prefabricados. El proyecto DIMALIFE pretende superar algunas limitaciones en cuanto al alcance planteado hasta ahora. En primer lugar, los proyectos anteriores se centraban en la fase de diseño [9-12]. Sin embargo, este es un aspecto muy específico, siendo necesario abordar en mayor profundidad el análisis dual sobre la necesidad de nuevas infraestructuras o la mejora de las existentes para el mejor aprovechamiento del parque actual. En efecto, todo parece indicar que en una situación de restricción presupuestaria como la actual va a ser difícil que el grueso del presupuesto se dedique a nueva construcción, siendo razonable su empleo en el mantenimiento y rehabilitación [13]. En segundo lugar, las infraestructuras viarias incluyen no solo puentes: el abanico estructural contiene incluso el mantenimiento del pavimento; en este sentido, algunos trabajos afrontados recientemente por el grupo han abordado este aspecto con restricciones presupuestarias [14,15]. En tercer lugar, y aunque se han utilizado técnicas de decisión multicriterio para tratar aspectos complejos de sostenibilidad social y medioambiental [5,8] en el ámbito de las infraestructuras, existen limitaciones que se deben superar. Éstas tienen que ver con la sensibilidad que presentan las soluciones óptimas respecto a la variabilidad intrínseca de las variables y parámetros de los problemas estructurales, así como la influencia que presenta esta variabilidad en los resultados de los procesos de toma de decisiones. Por último, la toma de decisiones y la optimización multiobjetivo de los problemas reales conlleva un trabajo muy laborioso de programación de software propio que, en ocasiones, presenta tiempos de cálculo elevados que obliga a replantear las metodologías empleadas hasta el momento, a pesar de que las capacidades de cálculo de los ordenadores son cada vez mayores. Es el campo propicio para integrar metamodelos en los procesos de optimización, tal y como se ha empezado a realizar en algunos trabajos muy recientes del grupo en el caso de las redes neuronales [11].
En efecto, a pesar de que se ha avanzado fuertemente en la optimización multiobjetivo de las estructuras, en el mundo real existen incertidumbres, imperfecciones o desviaciones respecto a los valores de los parámetros utilizados en los códigos (propiedades del material, geometría, cargas, etc.). De hecho, los códigos estructurales consideran las incertidumbres de forma simplificada definiendo los valores característicos para las variables aleatorias como percentiles de sus distribuciones y especifican unos coeficientes parciales de seguridad. Una estructura óptima se encuentra cercana a la región de infactibilidad, por lo que cualquier pequeña variación puede hacer que la estructura no cumpla con algunos de los estados límites previstos. La necesidad de incorporar las incertidumbres ha estimulado el interés por procedimientos capaces de proporcionar diseños más robustos y fiables [16]. De todas formas, se diferencian dos enfoques que consideran la respuesta probabilista en el proceso de diseño óptimo: el diseño basado en fiabilidad y el diseño óptimo robusto. En el primero se incluyen los efectos de la incertidumbre por medio de probabilidades de fallo y de valores esperados [17], mientras que el segundo trata de determinar un diseño menos sensible a las incertidumbres de las variables y de los parámetros que intervienen en la respuesta estructural [18,19].
Uno de los grandes problemas de la optimización multiobjetivo al incorporar las incertidumbres es su elevado coste computacional. Este inconveniente ya se detectó en el caso de la optimización multiobjetivo basada en fiabilidad del mantenimiento de puentes [20] donde se tuvieron que emplear redes neuronales como metamodelos [11]. Los metamodelos, también llamados modelos subrogados, proporcionan una relación aproximada de las variables de diseño respecto a sus respuestas con un número moderado de análisis completos. Estas aproximaciones se utilizan para reemplazar los análisis informáticos costosos facilitando la optimización multiobjetivo. Entre otros, podemos distinguir el diseño de experimentos, la metodología de la superficie de respuesta, los métodos Taguchi, las redes neuronales, las funciones de base radial o los modelos Kriging [21,22].
Por último, un aspecto no tratado que se incorpora al proyecto es aprovechar las conclusiones de los análisis de optimización para incluir criterios y recomendaciones que mejoren la contratación pública sostenible de las infraestructuras, dado que se considera que este aspecto posee el potencial de influir fuertemente en las políticas futuras [23]. Es por ello que DIMALIFE pretende determinar, dentro de sus objetivos, criterios e indicadores clave que garanticen una integración efectiva de la sostenibilidad en la licitación de proyectos. Dichos desarrollos pretenden ser la base para la definición de una guía que facilite a las Administraciones incorporar la sostenibilidad en los procedimientos de licitación de una manera efectiva; de modo que se influya sobre las tres etapas clave del procedimiento de licitación: definición de criterios de selección, definición de criterios de adjudicación y definición de especificaciones técnicas y cláusulas de desempeño.
OBJETIVOS GENERALES DEL PROYECTO
La metodología habitual, tanto en el diseño como en el mantenimiento óptimo de puentes e infraestructuras viarias, puede conducir a soluciones cercanas a la infactibilidad. Por tanto, las incertidumbres deben considerarse en el diseño y el mantenimiento óptimo de infraestructuras basándose en la fiabilidad y en diseños robustos. Esta hipótesis debe extenderse a los procesos de toma de decisión multicriterio que atienda a la sostenibilidad social y ambiental del ciclo de vida, contemplando las fluctuaciones tanto de los parámetros como de los escenarios, especialmente en el caso de restricciones presupuestarias. Esta metodología presenta, no obstante, serias dificultades, por lo que se deben explorar metamodelos capaces de acelerar los complejos procesos de cálculo. Además, se contempla la hipótesis adicional que establece que la contratación pública de las infraestructuras públicas debe incluir criterios de sostenibilidad por su fuerte influencia potencial en los mercados.
El objetivo general perseguido en este proyecto se basa en afrontar el reto social que supone la creación y la conservación de las infraestructuras viarias en escenarios de fuertes restricciones presupuestarias, mediante la resolución de los problemas complejos planteados en el ámbito de las decisiones públicas y privadas (puentes de hormigón pretensado prefabricados o “in situ”, puentes mixtos, puentes de acero, tipologías de muros, bóvedas y marcos de paso inferior). Para ello se precisa un salto científico que integre a los distintos actores y grupos de expertos en la toma de decisiones considerando criterios de sostenibilidad social y ambiental a lo largo de todo el ciclo de vida de las infraestructuras considerando la variabilidad inherente al mundo real. Para integrar las incertidumbres que afectan al sistema, se propone aplicar técnicas de optimización multiobjetivo basadas en fiabilidad, junto el empleo de metamodelos, aplicadas no solo al proyecto de nuevas infraestructuras, sino al mantenimiento de las actuales. Un estudio de sensibilidad de los escenarios presupuestarios y de las hipótesis tomadas en los inventarios del análisis del ciclo de vida proporciona conocimiento no trivial sobre las mejores prácticas. Esta metodología se aplica también a otro tipo de infraestructuras del transporte.
Los objetivos generales se desarrollan mediante los siguientes objetivos específicos:
Análisis de funciones de distribución para el diseño óptimo basado en fiabilidad que integre aspectos ambientales, sociales y económicos que sirva para la toma de decisión multicriterio
Determinación de los criterios e indicadores clave para garantizar una efectiva integración de la sostenibilidad en la licitación de proyectos de obra y de mantenimiento de infraestructuras viarias
Identificación de estrategias de mantenimiento robusto óptimo de puentes e infraestructuras viarias ya construidos
Formulación y resolución del problema de optimización multiobjetivo que contemple el ciclo completo de los puentes e infraestructuras viarias mediante metamodelos
Comparación del diseño robusto óptimo respecto a la optimización heurística considerando incertidumbres en los escenarios presupuestarios y en las hipótesis del análisis del ciclo de vida
Para alcanzar estos objetivos, se ha colaborado con los grupos de investigación de los profesores Frangopol y Moleenar (EE.UU.), del profesor Haukaas (Canadá), del profesor Kripka (Brasil), del profesor Partskhaladze (Georgia) y del profesor Sierra (Chile).
METODOLOGÍA
La investigación combina técnicas y disciplinas diversas tales como el análisis estructural, la toma de decisiones multicriterio, la optimización heurística multiobjetivo, el análisis del ciclo de vida, el análisis basado en fiabilidad, el diseño óptimo robusto, los metamodelos y las técnicas de minería de datos. Por tanto, se trata de una combinación integrada cuyo objetivo es la priorización del tipo de diseño, o bien de su mantenimiento, basándose en criterios de sostenibilidad social y ambiental bajo presupuestos restrictivos, considerando la variabilidad inherente a los problemas reales. Los trabajos desarrollados en proyectos anteriores se centraron en la optimización con múltiples objetivos, empleando técnicas sin información a priori del decisor. En este caso, la optimización proporciona alternativas eficientes al decisor. También ha utilizado técnicas con información a priori, donde el decisor informa sobre las preferencias al analista, que optimiza su modelo. En la metodología propuesta (Figura 1) se utiliza un enfoque mixto e interactivo, donde el decisor proporciona información sobre las preferencias al analista que, tras una optimización multiobjetivo basada en fiabilidad y metamodelos, aporta un conjunto de soluciones eficientes que el decisor debe evaluar antes de tomar su decisión. Por tanto, la novedad de la propuesta metodológica trifase se basa en la integración de técnicas de información a priori, donde el decisor (grupos de interés) informa de las preferencias al analista (en cuanto a tipologías, métodos constructivos, conservación, etc.), produciéndose con esta información una optimización multiobjetivo capaz de generar alternativas eficientes utilizando la variabilidad en los parámetros, variables y restricciones. La última fase pasa por un proceso de información a posteriori para que el decisor contemple aspectos no considerados en la optimización para dar la solución final completa.
Figura 1. Esquema metodológico diseñado para la realización del proyecto DIMALIFE
RESULTADOS
Aunque el proyecto de investigación empezó en el año 2018 y termina a finales del 2020, las aportaciones realizadas hasta el momento son significativas. La principal contribución es la incorporación de la variabilidad de los parámetros y restricciones del problema de optimización multiobjetivo basado en criterios de sostenibilidad social y medioambiental. Los resultados obtenidos se pueden clasificar en:
Formulación de una metodología de participación social que definan un proceso de decisión multicriterio, que integre aspectos objetivos y subjetivos, así como la aplicación de técnicas analíticas sistémicas (ANP) y análisis de valor, con inclusión expresa de la incertidumbre (técnicas fuzzy, modelos bayesianos, teoría neutrosófica) [24-37].
Propuesta de nuevas técnicas de optimización multiobjetivo basada en fiabilidad que integran metamodelos para acelerar la convergencia de cálculo considerando el ciclo de vida [38-50].
Definición del tipo de política presupuestaria que perjudica en mayor medida la sostenibilidad social y ambiental a lo largo del ciclo de vida de puentes e infraestructuras viarias [51-53].
Desarrollo de criterios para la Administración que potencie la incorporación de criterios sostenibles en los procedimientos de licitación de manera efectiva [54,55].
Como resultado del proyecto, también se menciona la culminación de cinco tesis doctorales [56-60], estando en marcha tres más.
CONCLUSIONES
El proyecto de investigación DIMALIFE ha profundizado en la optimización multiobjetivo en fase de diseño y construcción que incorporaban la visión social y el análisis completo del ciclo de vida. El objetivo ha sido incorporar a distintos actores y grupos de expertos en la toma de decisiones la variabilidad inherente al mundo real. Para integrar las incertidumbres que afectan al sistema, se han aplicado técnicas de optimización multiobjetivo basadas en fiabilidad, junto el empleo de metamodelos, al proyecto y mantenimiento de puentes e infraestructuras viarias.
El motivo de este planteamiento también constituye una necesidad social. En efecto, las incertidumbres relacionadas con la toma de decisiones, no solo en el diseño de nuevas infraestructuras, sino especialmente en el mantenimiento, que contemplen aspectos de sostenibilidad social y ambiental en situaciones extremas de restricciones presupuestarias, es un problema que afecta directamente a las infraestructuras viarias. El problema es altamente complejo cuando se realizan análisis basados en la fiabilidad. Se ha profundizado en el diseño robusto y el uso de metamodelos para asegurar que las soluciones optimizadas sean poco sensibles ante la variabilidad intrínseca de los parámetros. Se ha agregado la contratación pública sostenible, tanto de nuevas infraestructuras como de su mantenimiento, debido a su elevada influencia en el sector, con el fin de proponer políticas de actuación: las exigencias de las administraciones públicas serán de gran importancia futura para el diseño, construcción y mantenimiento de las infraestructuras, teniendo en cuenta las restricciones presupuestarias existentes.
Sin haber terminado el proyecto, de los resultados obtenidos y publicados hasta el momento, se puede concluir que la línea de investigación ofrece una amplia posibilidad de ramificaciones. Ello obliga a profundizar en aspectos complejos que, probablemente requieran de acuerdos de colaboración con otros grupos de investigación para conseguir resultados de mayor alcance.
AGRADECIMIENTOS
Este estudio ha sido financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, así como por fondos FEDER (BIA2017-85098-R).
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Acaban de publicarnos un artículo en la revista Advances in Civil Engineering, revista indexada en el JCR. Se trata de un artículo de revisión del estado del arte de los puentes mixtos de hormigón y acero desde los puntos de vista del diseño, análisis del ciclo de vida, mantenimiento y toma de decisiones. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
