Creemos que es una muy buena oportunidad de incorporarte a nuestro grupo de investigación. Te esperamos.
Proyecto de referencia:
Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. (HYDELIFE). [Hybrid life cycle optimization of bridges and mixed and modular structures with high social and environmental efficiency under restrictive budgets]. PID2020-117056RB-I00.
Julián Alcalá (en el centro), junto con el tribunal de su concurso-oposición.
En el día de hoy, 12 de noviembre de 2021, Julián Alcalá González ha superado con éxito su oposición al Profesor Titular de Universidad, dentro del Área de Ingeniería de la Construcción. Desde este blog quiero felicitarlo públicamente, pues pocos profesores son tan merecedores como él de ostentar esta plaza. A su amplia trayectoria académica, hay que sumar su extensísima experiencia profesional, especialmente en el diseño de puentes. Además, para mí fue un verdadero honor haber codirigido su tesis doctoral, pues fue una de las primeras. Ahora ya somos dos catedráticos (Fernando González Vidosa y Víctor Yepes) y dos profesores titulares (José V. Martí y Julián Alcalá) en la Unidad Docente de Procedimientos de Construcción del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València.
Reitero la felicitación pública y le animo a seguir trabando e investigando para que, más pronto que tarde, podamos ver en Julián a un nuevo Catedrático de Universidad.
Entrega de diploma por parte del Rector de la Universitat Politècnica de València, Excmo. y Magfco. Sr. José Capilla.
Esta es la segunda vez que acudo como padre al acto de graduación de los ingenieros civiles de la Escuela de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de Valencia. Es el primer acto de este tipo que se ha desarrollado tras el inicio de la pandemia. Todo un orgullo ver cómo el esfuerzo y la constancia son herramientas básicas para afrontar todos los retos.
Apadrinó la graduación nuestro compañero Mauricio Rafael Delgado Duarte (Málaga, 1968), de gran trayectoria profesional y actualmente Socio Director de Actua Infraestructuras. Cabe destacar el gran papel que tuvo en el rescate de Julen en el municipio malagueño de Totalán, por el que se le otrogó, junto a un equipo de 8 ingenieros, el Premio Santo Domingo de la Calzada en el Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.
Os paso tanto el enlace al repositorio del reportaje fotográfico como el vídeo institucional del acto.
Son muchos los que me consultan sobre libros de los temas más variados: ingeniería civil, electrónica, informática, urbanismo, arquitectura, etc. Hay cientos de sitios donde buscarlos, pero muchas veces quieren cosas muy concretas que, afortunadamente, están publicadas por nuestra universidad. En efecto, el Servicio de Publicaciones de la Universitat Politècnica de València pone a disposición de todo el que quiera su fondo de libros escritos muchos de ellos por sus profesores, verdaderos especialistas en cada una de las materias.
Por supuesto, como podéis observar en la figura que os he puesto, también podéis encontrar algunos libros míos. No están todos los que son, que sí que son todos los que están.
No solo se pueden conseguir los libros en formato papel, sino que también es posible, en muchos casos, obtener un libro digital a un precio mucho más económico.
Por cierto, si buscáis libros que hayan sido revisado por pares, tenéis que localizar los que se llaman Manual de Referencia. Son libros muy cuidados y editados por esmero por el Servicio de Publicaciones.
En ocasiones nos hemos preguntado el significado de la indumentaria universitaria, especialmente cuando los miembros de la comunidad universitaria (estudiantes, licendiados, doctores y rectores) la usan en determinados actos académicos. Esta indumentaria tiene su origen en la tradición grecolatina y en los hábitos clericales. Os paso una infografía de la Universitat Politècnica de València donde se explica cada uno de los elementos de la vestimenta.
Estoy en este momento revisando la última prueba de imprenta de un Manual de Referencia (revisado por el sistema doble ciego) de la Universitat Politècnica de València, del cual soy autor. Se trata de un libro de 422 páginas, con 259 ilustraciones y 325 preguntas de autoevaluación, titulado «Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno». Su referencia es el número 428 y os pasaré el enlace para que lo podáis conseguir en cuanto se publique.
Sin embargo, no me he podido resistir a adelantar el prólogo que he escrito para este libro y que, además de presentarlo, sirve como reflexión sobre la docencia de la asignatura «Procedimientos de Construcción» que actualmente se imparte en los grados de ingeniería civil y de ingeniería de obras públicas de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos de Valencia.
Prólogo
La docencia de una asignatura como “Procedimientos de Construcción” resulta complicada, ya que se debe enseñar al futuro ingeniero civil cómo ejecutar las obras. Eso incluye no solo las fases constructivas, sino también aspectos de gran relevancia como el conocimiento de la maquinaria y los medios auxiliares, la seguridad y la salud, el impacto ambiental de las obras y, sobre todo, el conocimiento básico necesario en geotecnia, resistencia de materiales, mecánica, cálculo de estructuras, gestión de empresas, planificación de obras y economía. Todo ello para acertar en la selección del mejor proceso constructivo para una obra determinada. Y todo este conocimiento debe abordarse con una experiencia nula o muy limitada del alumnado respecto de la realidad física de las obras.
La pregunta es inmediata: ¿Cómo podemos llevar la obra al estudiante en un aula? Resulta evidente la necesidad de que los futuros profesionales pisen las obras lo máximo posible y realicen prácticas en empresa. Pero esta experiencia no es suficiente para adquirir las competencias y conocimientos necesarios.
El problema se agrava cuando este tipo de asignaturas de construcción se imparten en los primeros cursos de los grados. En los planes antiguos, “Procedimientos Generales de Construcción y Organización de Obras” se impartía en los últimos cursos, incluso en paralelo con la asignatura de Proyectos. Esto permitía al estudiante aplicar todos los conocimientos adquiridos con anterioridad y hacía que la asignatura pudiera entenderse con mayor profundidad.
Pero el problema sigue siendo el mismo. Me acuerdo que esta asignatura la estudié en cuarto curso de la titulación de ingeniero de caminos, canales y puertos, cuando el plan se desarrollaba en seis cursos. En aquella época, hablo del año 1986, D. Hermelando Corbí Abad, profesor de la asignatura, utilizaba todos los medios disponibles en su momento, como el proyector de opacos, fotografías que nos pasábamos de mano en mano o catálogos de máquinas o de empresas, para que nos imagináramos cómo se podría hacer una obra. Y, sobre todo, pizarra, mucha pizarra. Tomábamos apuntes en clase y teníamos fotocopias mecanografiadas por el profesor que nos servían de texto. Todo se complementaba con abundantes visitas a obras y excursiones organizadas que nos abrían los ojos, el compañerismo y la ilusión por esta apasionante profesión.
Cuando en 1994 empecé a impartir la asignatura por primera vez, tuve que recurrir a todo tipo de estrategias disponibles en aquel momento. Era entonces profesor asociado, más joven, pero con años de experiencia ya en los sectores público y privado. Usábamos vídeos en VHS, transparencias que nos permitían ahorrar mucha pizarra, fotografías y catálogos. Se completaba con las visitas a la obra. Pero el problema de acercar la realidad al estudiante seguía siendo complejo. Además, las técnicas constructivas, y sobre todo las máquinas y los elementos auxiliares, cambiaban a un ritmo acelerado. Todo fue demasiado rápido para los medios de los que disponíamos.
Sin embargo, la aparición de los ordenadores, el PowerPoint y, sobre todo, de internet revolucionó todo con el cambio de milenio. Nada volvió a ser como antes. La información y las novedades se acumularon en mi ordenador. Cientos de fotografías, vídeos y documentos se perdían entre las carpetas de mi disco duro. Había que poner orden.
El descubrimiento de las ventajas de contar con una bitácora digital revolucionó mi forma de impartir las clases de esta asignatura. En efecto, el 5 de marzo de 2012 empecé con lo que iba a ser un blog personal para organizar la información que tenía dispersa en mi ordenador. Fue una auténtica revolución. Podía ordenar por entradas información dispersa sobre temas de construcción, incluyendo fotografías, vídeos y enlaces a otros documentos. Nada volvería a ser lo mismo. Los estudiantes disponían de una herramienta con la que tenían toda la información, no solo de clase, sino que podían ampliarla hasta donde quisieran buceando en internet. Así nació el “Blog de Víctor Yepes” https://victoryepes.blogs.upv.es/, que hoy cuenta con casi 1 500 artículos y más de 5 000 visitas diarias. Además, con la potencia de las redes sociales, toda la información se multiplicaba exponencialmente.
El paso siguiente era el lógico y el normal. Se trataba de depurar y mejorar la información para elaborar un libro. Así surgió una serie de textos docentes que, bajo el nombre de Manual de Referencia, edita la Universitat Politècnica de València. Además, este libro en particular sirve de base para un curso en línea, gratuito y masivo que, bajo el mismo nombre, se imparte desde este mismo año en la plataforma edX, en la que colabora nuestra universidad. En el enlace https://www.edx.org/course/introduccion-procedimientos-construccion-obra-civil se puede acceder al curso en cualquier momento y obtener un certificado oficial.
En cuanto a la estructura de este libro, realmente tiene dos grandes partes, una dedicada a la compactación mecánica de los suelos y, la segunda, que se centra en las técnicas de mejora del terreno. Si bien es cierto que la compactación mecánica no deja de ser una técnica de mejora del terreno, por su importancia y su generalidad en las obras, se ha tratado como una parte diferenciada. También podréis encontrar un buen número de referencias y una cantidad nada desdeñable de preguntas tipo test con sus respuestas para comprobar si habéis comprendido bien lo explicado en el texto. Al final podréis localizar un índice temático que, de buen seguro, os servirá para encontrar información rápidamente.
La necesidad de un libro como este surge de cubrir un importante hueco editorial. Si bien se pueden encontrar cientos de libros de gran calidad en materias tales como la geotecnia y la mecánica de suelos, la resistencia de materiales y el cálculo de estructuras, la hidráulica, etc., son pocos los que se dedican a desgranar los procedimientos constructivos, la maquinaria y los medios auxiliares necesarios para ello.
El reto fue bastante importante. Se trató de estructurar información muy dispersa, técnicas clásicas y otras de rabiosa actualidad, maquinaria que, año tras año, deja obsoletos a los modelos anteriores. Y, afortunadamente, es posible que, en unos años, parte de las técnicas contenidas en este volumen queden como recuerdos del pasado, dando paso a la robotización, la inteligencia artificial, los gemelos digitales y otras muchas técnicas emergentes que desdibujarán la forma en que entendemos las obras.
Por último, aunque se ha realizado un esfuerzo minucioso para revisar el manuscrito, es posible que haya alguna errata típica de una obra publicada por primera vez. Asumo la responsabilidad de cualquier error y, en la medida de lo posible, trataré de subsanar y mejorar los aspectos o sugerencias que me hagáis llegar.
Este libro, a partir de ahora, deja de ser mío y pasa a ser vuestro. Espero que sirva para todos los estudiantes y profesionales que quieran introducirse al maravilloso mundo de las obras, y en particular, a aquellos que tienen que luchar, día a día con el terreno donde se van a asentar.
ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón). Universitat Politècnica de València
La línea de investigación emprendida por nuestro grupo 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. En anteriores proyectos (HORSOST, BRIDLIFE, DIMALIFE) afrontados por nuestro grupo se abordó tanto el diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo mediante el empleo de técnicas de minería de datos, como la toma de decisiones en la gestión del ciclo de vida de puentes pretensados de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. También se emplearon metamodelos y el diseño óptimo robusto y basado en fiabilidad para obtener diseños automáticos de puentes e infraestructuras que consideraban hormigones con baja huella de carbono, donde se incluían los aspectos de durabilidad, de consumo energético y de emisiones de CO2, de seguridad, y otros que se estudiaban a lo largo del ciclo de vida de las estructuras, en especial en puentes de hormigón pretensado, tanto prefabricados, como construidos “in situ”. Además, se emplearon técnicas de decisión multicriterio para abordar, en primer lugar, la decisión de la mejor tipología constructiva de un puente, y posteriormente, para decidir la mejor de las opciones resultantes de la frontera de Pareto.
La producción científica de estos proyectos fue significativa. Se ha abordado la optimización multiobjetivo (coste, CO2 y energía) de puentes con vigas artesa (Martí et al., 2015; Martí et al., 2016; Yepes et al., 2015;2017), de puentes cajón (García-Segura et al., 2016;2017a;b). Se ha abordado la optimización del mantenimiento de puentes en ambiente marino (Navarro et al., 2017;2018), del mantenimiento de redes de pavimento (Yepes et al., 2016; Torres-Machí, 2017). Se ha analizado la sostenibilidad social de las infraestructuras (Sierra et al., 2017a;b). Se han utilizado metodologías emergentes en la toma de decisiones, como la lógica neutrosófica (Navarro et al., 2020) o las redes bayesianas (Sierra et al., 2018). Se han utilizado en la optimización metamodelos de redes neuronales (García-Segura et al., 2017b), modelos kriging (Penadés-Plà et al., 2019), el análisis de fiabilidad (García-Segura et al., 2017a). Se han propuesto sistemas de indicadores de sostenibilidad social y medioambiental (Milani et al., 2020; Sánchez-Garrido y Yepes, 2020). Se ha aplicado el diseño robusto a los puentes (Penadés-Plà et al., 2020). Se ha analizado la resiliencia de las infraestructuras (Salas et al., 2020). Se han realizado análisis del ciclo de vida de estructuras e infraestructuras óptimas (Penadés-Plà et al. 2017; Zastrow et al., 2017; Pons et al., 2018;2020; Navarro et al. 2018; Zhou et al., 2020). También se encuentra en fase de evaluación la patente “Viga en cajón mixta acero-hormigón, P202030530” (Alcalá y Navarro, 2020), autor que forma parte del equipo de investigación.
Sin embargo, para dar un paso adelante, es necesario abordar las limitaciones y el alcance de estos proyectos previos. El proyecto HYDELIFE busca un salto cualitativo en nuestra línea de investigación que pretende superar algunas limitaciones en cuanto al alcance planteado hasta ahora. En primer lugar, no se puede perder la oportunidad de incorporar las técnicas emergentes del DL en la hibridación de las metaheurísticas, pues sería renunciar a la potencia predictiva de la inteligencia artificial y a la eficiencia de esta nueva generación de algoritmos. En segundo lugar, debe abordarse la construcción industrializada modular tanto en edificación como en obra civil, estudiando en detalle y confrontando los puentes mixtos y las estructuras híbridas con las soluciones de hormigón, en un análisis completo del ciclo de vida que incluya la sostenibilidad social y medioambiental. Para ello se pretende profundizar en las técnicas de decisión multicriterio emergentes como la lógica neutrosófica y otras como las redes bayesianas. En este contexto, a pesar de que se ha avanzado en la optimización multiobjetivo de las estructuras, en el mundo real existen incertidumbres, imperfecciones o desviaciones respecto a los parámetros utilizados en los códigos (propiedades del material, geometría, cargas, etc.). Una estructura óptima se encuentra cercana a la región de infactibilidad, por lo que es necesario incorporar incertidumbres para proporcionar diseños más robustos y fiables (Martínez-Frutos et al., 2014), tanto desde el diseño basado en la fiabilidad como desde el diseño óptimo robusto.
El gran problema de la optimización multiobjetivo de estructuras, al incorporar incertidumbres, es su coste computacional muy elevado. Tal y como hemos visto en algunos de nuestros trabajos, este problema lo hemos abordado mediante metamodelos que proporcionan una relación funcional aproximada entre las variables de diseño y sus respuestas, con un número moderado de análisis completos. Sin embargo, las metaheurísticas híbridas basadas en DL emergen como técnicas capaces de mejorar dichos planteamientos previos.
Los trabajos desarrollados hasta el momento por nuestro grupo de investigación han permitido avances importantes en el diseño automatizado y óptimo de las estructuras de hormigón con múltiples criterios a lo largo del ciclo de vida, sin embargo, existe una serie de limitaciones que este HYDELIFE tiene intención de superar:
Ampliación del análisis del ciclo de vida no solo a los puentes de hormigón, sino también a otras tipologías, como puentes mixtos y estructuras híbridas, así como a estructuras industrializadas modulares.
Utilizar metaheurísticas híbridas basadas en la inteligencia artificial con un doble objetivo: 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 mediante la incorporación del diseño óptimo robusto y del diseño óptimo basado en la fiabilidad, para evitar que los proyectos optimizados reales sean infactibles ante pequeños cambios.
Profundización en las funciones de distribución de los impactos sociales y ambientales en las construcciones modulares y mixtas.
Profundización en la investigación dirigida a la fase de mantenimiento, centrada más en el problema social que plantean las estructuras modulares y mixtas en servicio.
Analizar la sensibilidad de las políticas presupuestarias, poco sensibles a la realidad del sector, en la gestión de las estructuras. Ello supone modelar distintos escenarios económicos y analizar las soluciones eficientes derivadas, especialmente en épocas de crisis.
Profundización en la determinación de los factores que inciden en la toma de decisiones multicriterio.
Profundización en los costes de mantenimiento y en los esperados en caso de fallo. Además, las incertidumbres asociadas al deterioro requieren métodos probabilísticos.
Profundizar en el análisis de ciclo de vida, la inclusión de la demolición y reutilización de los materiales de las infraestructuras, siendo una de las variables de diseño la durabilidad.
Lo indicado hasta ahora, que resume los antecedentes y las realizaciones del grupo, se podría sintetizar en los siguientes aspectos:
La temática a investigar se ha ido profundizando en cada uno de los proyectos realizados, acorde a los objetivos previstos.
Los estudios realizados se basaban en la optimización multiobjetivo, la toma de decisiones a lo largo del ciclo de vida y el diseño robusto y basado en la fiabilidad de puentes pretensados. El objetivo es dar un salto al incorporar el aprendizaje profundo en las metaheurísticas y ampliar el alcance a otro tipo de construcciones industrializadas modulares y a puentes mixtos e híbridos.
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Proyecto de Investigación:
Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. (HYDELIFE). [Hybrid life cycle optimization of bridges and mixed and modular structures with high social and environmental efficiency under restrictive budgets]. PID2020-117056RB-I00. Financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación con fondos FEDER. Investigador Principal: Víctor Yepes.
Es para mí un placer comunicar en mi blog que la Comisión de Premios del XXV Congreso Internacional de Dirección e Ingeniería de Proyectos ha tenido a bien otorgar el Premio Jaume Blasco a la Innovación 2021 a la comunicación «Consideración de la incerteza de multi-disciplinas en la determinación de criterios sostenibles de caminos rurales usando la lógica neutrosófica«, cuyos autores han sido Leonardo Sierra, Felipe Araya y Víctor Yepes. Agradezco enormemente este tipo de reconocimientos que premia la labor realizada en los últimos años por nuestro grupo de investigación en la Universitat Politècnica de València.
Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH). http://congress.cimne.com/SAHC2020/frontal/JoseM.Adam.asp
En varios artículos anteriores detallamos los antecedentes, la motivación y la trascendencia del proyecto de investigación HYDELIFE. Ahora vamos a explicar las hipótesis de partida sobre las que se basa este proyecto.
La hipótesis principal de partida es que las metaheurísticas híbridas emergentes son capaces de extraer información no trivial de las inmensas bases de datos procedentes de la optimización y mejorar la calidad y el tiempo de cálculo tanto en el diseño como en el mantenimiento óptimo de puentes y estructuras. Con esta propuesta metodológica se pretende abordar las incertidumbres del mundo real, planteando el diseño y el mantenimiento óptimos basados en la fiabilidad y en diseños robustos. Esta hipótesis debe extenderse a los procesos de toma de decisiones multicriterio que atiendan a la sostenibilidad social y ambiental del ciclo de vida completo que contemplen las fluctuaciones tanto de los parámetros como de los escenarios posibles, especialmente en el caso de fuertes restricciones presupuestarias. Esta metodología presenta, no obstante, serias dificultades, por lo que conviene explorar metamodelos y DL capaces de acelerar los procesos de cálculo complejos.
Para la consecución de los objetivos del proyecto, es necesario alcanzar una serie de objetivos específicos que, a su vez, se basan en unas determinadas hipótesis:
Hipótesis 1: Las metaheurísticas mejoran la calidad y reducen el tiempo de cálculo al hibridarse con el aprendizaje profundo (DL).
Hipótesis 2: El análisis del ciclo de vida de la construcción industrializada modular presenta mejores indicadores medioambientales y sociales que la construcción tradicional.
Hipótesis 3: La optimización multiobjetivo de los puentes mixtos de hormigón y acero y de las estructuras híbridas de acero reduce los impactos sociales y ambientales a lo largo del ciclo de vida.
Hipótesis 4: La optimización multiobjetivo puede dar como resultado soluciones que, con pequeñas variaciones en los parámetros o en las restricciones, resultan infactibles.
Hipótesis 5: Tanto el diseño óptimo basado en la fiabilidad como el diseño óptimo robusto conducen a soluciones menos sensibles a la variabilidad y a los cambios en los escenarios (especialmente presupuestarios), pero se basan en funciones de probabilidad poco realistas debido a la falta de datos.
Hipótesis 7: Las soluciones de mantenimiento óptimas de puentes mixtos y de estructuras modulares difieren si el análisis del ciclo de vida se incluye o no en la fase de proyecto.
Hipótesis 8: Incluso considerando la variabilidad innata del mundo real, es posible integrar múltiples actores, escenarios y criterios (tangibles e intangibles) en técnicas analíticas que asistan en la toma de decisiones complejas que incluyan aspectos de sostenibilidad social y ambiental mediante herramientas colaborativas.
Hipótesis 9: Las decisiones públicas (instituciones) y privadas (empresas) adecuadas pueden mejorar la sostenibilidad, las prestaciones a largo plazo y la durabilidad de las estructuras, incluso en escenarios presupuestarios muy restrictivos.
Hipótesis 10: Dado un horizonte temporal para una estructura, es posible encontrar un diseño y una gestión posteriores de dicho activo que mejoren otras alternativas, incluso con presupuestos restrictivos.
Hipótesis 11: Las medidas estratégicas, de proyecto y preventivas derivadas de un sistema de apoyo a la toma de decisiones multicriterio son preferibles a la reparación severa de los puentes y estructuras modulares por su menor coste social y ambiental.
Hipótesis 12: Es posible encontrar buenas prácticas en el diseño, conservación, mantenimiento y desmantelamiento de los puentes y estructuras modulares que sean robustas a cambios en los escenarios presupuestarios.
Proyecto de Investigación:
Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. (HYDELIFE). [Hybrid life cycle optimization of bridges and mixed and modular structures with high social and environmental efficiency under restrictive budgets]. PID2020-117056RB-I00. Financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación con fondos FEDER. Investigador Principal: Víctor Yepes.
Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)
En un artículo anterior detallamos los antecedentes y la motivación del proyecto de investigación HYDELIFE. Ahora vamos a explicar la relevancia de la propuesta, que se centra tanto en la utilización de una metodología emergente y novedosa en el ámbito de las estructuras, como es la hibridación de las metaheurísticas con la inteligencia artificial, en especial con el aprendizaje profundo (Deep Learning, DL), como en el objeto de estudio, que es la construcción industrializada modular, tanto en edificación, como en puentes mixtos de hormigón y acero y en estructuras híbridas de acero. A continuación, justificamos la importancia de esta propuesta.
La Inteligencia Artificial (IA) se ha usado en estas últimas décadas de forma intensiva en las investigaciones relacionadas con la ingeniería civil, especialmente en el ámbito de las estructuras y las infraestructuras (Taffese et al., 2017). Sin embargo, los métodos más recientes, como el reconocimiento de patrones (Pattern Recognition, PR), el aprendizaje automático (Machine Learning, ML) y el aprendizaje profundo (Deep Learning, DL), son métodos emergentes en este ámbito de la ingeniería (Salehi et al., 2018). Estas técnicas emergentes tienen la capacidad de aprender interrelaciones complejas entre parámetros y variables, y así permiten resolver una diversidad de problemas que son difíciles o imposibles de resolver con los métodos tradicionales. Son capaces de descubrir información oculta, no trivial, sobre el rendimiento de una estructura al aprender la influencia de diversos mecanismos de daño o degradación, así como a partir de los datos recogidos por los sensores. Además, ML y DL tienen una elevada potencialidad en el dominio de la mecánica computacional, como, por ejemplo, para optimizar los procesos en el método de elementos finitos para mejorar la eficiencia de los cálculos.
La optimización de las estructuras constituye un campo científico en el que se ha trabajado intensamente en las últimas décadas (Afzal et al., 2020). Debido a que los problemas reales requieren un número elevado de variables, la resolución exacta del problema de optimización asociado resulta inabordable. Se trata de problemas NP-hard, de complejidad computacional elevada, que requieren metaheurísticas para alcanzar soluciones satisfactorias en tiempos de cálculo razonables. La idea es aprovechar la inmensa cantidad de datos generados por el elevado número de iteraciones que requiere la optimización estructural mediante metaheurísticas. Es el campo ideal para la inteligencia artificial, pues permite extraer información para acelerar y afinar la búsqueda de la solución óptima. Un ejemplo de este tipo es nuestro trabajo (García-Segura et al., 2017a) de optimización multiobjetivo de puentes cajón, donde una red neuronal aprendía de los datos intermedios de la búsqueda y luego predecía con una extraordinaria exactitud el cálculo del puente, sin necesidad de calcularlo. Ello permitía reducir considerablemente el tiempo de computación final. Sin embargo, este tipo de aplicación es muy sencilla, pues solo ha reducido el tiempo de cálculo (cada comprobación completa de un puente mediante el método de los elementos finitos es mucho más lenta que una predicción con una red neuronal). HYDELIFE trata de dar un paso más allá. Se pretende que la metaheurística sea capaz de aprender de los datos recogidos utilizando la inteligencia artificial para ser mucho más efectiva, y no solo más rápida.
En concreto, la propuesta se centra en el aprendizaje profundo (DL), que, dentro del ML, utiliza algoritmos más sofisticados, basados en el principio de las redes neuronales. El foco metodológico del proyecto es la exploración de la integración específica del DL en las metaheurísticas, con el objeto de mejorar la calidad de las soluciones o los tiempos de convergencia al optimizar estructuras. Nuestro grupo ha tenido la oportunidad de comprobar la eficacia de este hibridaje en estructuras sencillas, como los muros de contrafuertes (García et al., 2020a, 2020b; Yepes et al., 2020). Además, hemos lanzado al respecto un número especial en la revista Mathematics (indexada en el primer decil del JCR) titulado “Deep learning and hybrid-metaheuristics: novel engineering applications” (https://www.mdpi.com/journal/mathematics/special_issues/Deep_Learning_Hybrid-Metaheuristics_Novel_Engineering_Applications).
Modern methods of construction. https://www.lancashirebusinessview.co.uk/latest-news-and-features/let-s-talk-modern-methods-of-construction
En cuanto al objeto del proyecto, la construcción industrializada modular, tanto en edificación como en puentes mixtos de hormigón y acero y en estructuras híbridas de acero, su justificación deriva de su importancia creciente y los huecos en la investigación encontrados. En efecto, la construcción modular y la prefabricación son técnicas ya veteranas desde que en 1936 Eugène Freyssinet construyó el primer puente de hormigón pretensado del mundo, en el que las vigas y los tableros eran prefabricados. Sin embargo, la auténtica revolución que supone la IA, las tecnologías BIM y los retos de la sostenibilidad está cambiando radicalmente este concepto y lo está llevando a una nueva dimensión. La reciente norma UNE 127050:2020 trata de los sistemas constructivos industrializados para edificios construidos con elementos prefabricados de hormigón, así como de los requisitos de comportamiento, fabricación, instalación y verificación. Los métodos modernos de construcción (Modern Methods of Construction, MMC), o como algunos la llaman “construcción inteligente”, constituyen alternativas a la construcción tradicional. Es un término que abarca una amplia gama de tecnologías basadas en la fabricación modular, ya sea “in situ” o “off-site”, que están revolucionando la forma de construir de manera más rápida, rentable y eficiente. Un ejemplo no muy lejano ha sido la construcción de dos hospitales de campaña en Wuhan (China) en tan solo 12 días, debido a la crisis sanitaria. Países como Suecia y Japón lideran la construcción MMC. En Suecia, casi la mitad de las viviendas de nueva construcción utilizan este método, hasta el 80% en el caso de las viviendas unifamiliares. Japón es el país donde se construyen el mayor número de viviendas nuevas con este método, aunque no alcanzan el 20% del total. La construcción MMC permite un ahorro de tiempo de hasta el 50%, permite el uso de materiales sostenibles, reduciéndose el desperdicio. La construcción en fábrica permite tolerancias estrictas, la reducción de los errores, promueve la seguridad, no estando los materiales a la intemperie durante la construcción. Además, permite el uso de materiales durables, que mejoran el aislamiento acústico, la protección contra incendios y la eficiencia energética. Sin embargo, en algunos países, el uso de las MMC implica costes más elevados que la construcción tradicional. Otras barreras son la falta de mano de obra especializada, la escasez de suministros y la regulación vigente (Rahman, 2014). Con todo, la actual crisis del Covid-19 puede acelerar los cambios necesarios. De todos modos, los métodos MMC constituyen un producto distinto del de la construcción tradicional. La construcción modular, al tratarse de un producto alternativo, en lugar de competir, complementará el mercado tradicional. El objetivo es aumentar la productividad de los recursos disponibles mejorando la calidad, la eficiencia empresarial, la satisfacción del cliente, el rendimiento ambiental, el índice de sostenibilidad y el control de los plazos de entrega. Nuestro grupo de investigación (Sánchez-Garrido y Yepes, 2020) ha empezado a aplicar técnicas analíticas de toma de decisiones multicriterio (MCDM) y de análisis del ciclo de vida, comparando la construcción tradicional de una vivienda unifamiliar con dos alternativas basadas en el MMC. Propusimos un índice de sostenibilidad, que incluye atributos tangibles e intangibles, así como factores de incertidumbre y riesgos, que permite a los promotores priorizar soluciones que aseguren la sostenibilidad económica, social y medioambiental. HYDELIFE pretende profundizar en esta vía mediante la optimización híbrida multiobjetivo de este tipo de construcción modular.
Constructalia – ArcelorMittal. Puente mixto Wirkowice: El primer puente de carretera en Europa con vigas de acero autopatinable Arcorox® 460 – Constructalia
Otro de los huecos detectados por nuestro grupo en este ámbito son los puentes mixtos (Martínez-Muñoz et al., 2020). El análisis del estado del arte indica que la investigación se ha centrado en el diseño preliminar de puentes con un enfoque principalmente económico (Yepes et al., 2019) sin abordar la optimización multiobjetivo social y ambiental de su ciclo de vida completo que permita aplicar técnicas de decisión desde el diseño. Mientras que a nivel mundial la preocupación se centra en la búsqueda de soluciones sostenibles. También se ha detectado un vacío en los puentes ejecutados con vigas armadas híbridas. En este tipo de estructuras se utilizan diferentes límites elásticos de acero en las chapas de alas y de alma para disminuir el espesor de las chapas de mayor límite elástico, lo que supone una reducción de peso por unidad de longitud de la sección transversal (Chacón, 2014). Sin embargo, la reducción del espesor puede acarrear la disminución de la capacidad de la sección ante otros fenómenos, como es el caso de la inestabilidad. Se debe garantizar un buen comportamiento de las vigas a cortante, estudiando su inestabilidad ante cargas concentradas y pandeo lateral. Por tanto, nos encontramos ante un caso de optimización de gran interés en el que, además, no se ha abordado hasta ahora su optimización integral a lo largo de su ciclo de vida. Asimismo, en nuestro equipo de investigación se ha desarrollado una patente sobre vigas en cajón mixtas (Alcalá y Navarro, 2020) que permiten resolver el problema de las vigas descolgadas en forjados de elementos prefabricados y que consiste en un cajón metálico que formará parte de un sistema de forjados slim-floor. HYDELIFE aplicará la metodología híbrida antes descrita para cubrir este vacío en el ámbito de la investigación de las estructuras.
Proyecto de Investigación:
Optimización híbrida del ciclo de vida de puentes y estructuras mixtas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos. (HYDELIFE). [Hybrid life cycle optimization of bridges and mixed and modular structures with high social and environmental efficiency under restrictive budgets]. PID2020-117056RB-I00. Financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación con fondos FEDER. Investigador Principal: Víctor Yepes.
Referencias:
AFZAL, M.; LIU, Y.H.; CHENG, J.C.P.; GAN, V.J.L. (2020). Reinforced concrete structural design optimization: A critical review. J. Clean. Prod., 260:120623.
ALCALÁ, J.; NAVARRO, F. (2020). Viga en cajón mixta acero-hormigón. Patente P202030530, 4 junio 2020.
CHACÓN, R. (2014). Vigas armadas híbridas de acero. Estado del conocimiento. Revista Ciencia e Ingeniería, 35(2):95-102.
GARCÍA, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020a). A hybrid k-means cuckoo search algorithm applied to the counterfort retaining walls problem. Mathematics, 8(4), 555.
GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020b). The buttressed walls problem: An application of a hybrid clustering particle swarm optimization algorithm. Mathematics, 8(6), 862.
MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). Steel-concrete composite bridges: design, life cycle assessment, maintenance and decision making. Adv. Civ. Eng., 2020, 8823370.
RAHMAN, M.M. (2014). Barriers of implementing modern methods of construction. J. Manage. Eng., 30(1):69-77.
SALEHI, H.; BURGUEÑO, R. (2018). Emerging artificial intelligence methods in structural engineering. Eng. Struct., 171:170-189.
SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; YEPES, V. (2020). Multi-criteria assessment of alternative sustainable structures for a self-promoted, single-family home. J. Clean. Prod., 258: 120556.
TAFFESE, W.Z.; SISTONEN, E. (2017). Machine learning for durability and service-life assessment of reinforced concrete structures: Recent advances and future directions. Autom. Constr., 77:1-14.
YEPES, V.; DASÍ-GIL, M.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; LÓPEZ-DESFILÍS, V.J.; MARTÍ, J.V. (2019). Heuristic techniques for the design of steel-concrete composite pedestrian bridges. App. Sci., 9(16), 3253.
YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA, J. (2020). Black hole algorithm for sustainable design of counterfort retaining walls. Sustainability, 12(7), 2767.
Quien quiera trabajar con nuestro grupo de investigación tiene una oportunidad de contrato predoctoral FPU. Será bienvenido. Acaba de salir: https://www.boe.es/diario_boe/txt.php?id=BOE-B-2021-46596
