Acaban de publicarnos un artículo en Mathematics, revista indexada en el primer decil del JCR. El documento Mejora del diseño estructural de cerchas metálicas pretensadas mediante optimización multiobjetivo y MCDM. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
Estas son las principales contribuciones descritas en el artículo:
Marco integrado para la optimización: La investigación presenta un marco integral que integra algoritmos de optimización multiobjetivo (MOO) y técnicas de toma de decisiones multicriterio (MCDM). Este marco no solo es aplicable a las cerchas pretensadas, sino también a varios diseños estructurales, lo que mejora la toma de decisiones en ingeniería estructural.
Algoritmos de optimización avanzados: el estudio emplea tres algoritmos MOO avanzados (NSGA-III, CTAEA y SMS-EMAO) para optimizar el diseño estructural de las cerchas arqueadas pretensadas. Este enfoque permite evaluar de forma sólida los diferentes objetivos del diseño, como la minimización del peso, el rendimiento de carga y la capacidad de construcción.
Métricas de evaluación integrales: el documento incorpora una serie de visualizaciones analíticas y métricas de evaluación exhaustivas para comprender la variabilidad de las diferentes variables en el contexto de Pareto. Esto ayuda a ilustrar las ventajas y desventajas que conllevan las distintas estrategias de optimización y proporciona una visión más clara del proceso de diseño.
Evaluación del rendimiento de los algoritmos: la investigación evalúa el rendimiento de los algoritmos de optimización utilizando métricas de distancia generacional (GD) y distancia generacional invertida (IGD). Los resultados indican que el NSGA-III supera a los demás algoritmos en términos de convergencia con respecto a Pareto, lo que proporciona información valiosa sobre la eficacia de cada algoritmo.
Validación estadística de los resultados: el artículo emplea la prueba de Kruskal-Wallis para validar las diferencias de rendimiento entre los algoritmos. Esto añade credibilidad a los hallazgos y resalta las ventajas y limitaciones de cada enfoque de optimización, que es crucial para las futuras aplicaciones de optimización estructural.
Implicaciones prácticas para la construcción: Las innovaciones presentadas en el documento mejoran el rendimiento estructural, reducen el consumo de recursos y mejoran la capacidad de construcción y la seguridad. Estas contribuciones demuestran las implicaciones prácticas para unas prácticas de construcción más eficientes y sostenibles, y abordan la complejidad de los métodos de diseño tradicionales.
En resumen, este documento promueve significativamente la comprensión y la aplicación de las cerchas pretensadas al proporcionar un marco sólido para la optimización y la toma de decisiones, junto con información práctica para mejorar las prácticas de construcción.
Abstract:
The structural design of prestressed arched trusses presents a complex challenge due to the need to balance multiple conflicting objectives such as structural performance, weight, and constructability. This complexity is further compounded by the interdependent nature of the structural elements, which necessitates a comprehensive optimization approach. Addressing this challenge is crucial for advancing construction practices and improving the efficiency and safety of structural designs. The integration of advanced optimization algorithms and decision-making techniques offers a promising avenue for enhancing the design process of prestressed arched trusses. This study proposes the use of three advanced multi-objective optimization algorithms: NSGA-III, CTAEA, and SMS-EMOA, to optimize the structural design of prestressed arched trusses. The performance of these algorithms was evaluated using Generational Distance and Inverted Generational Distance metrics. Additionally, the non-dominated optimal designs generated by these algorithms were assessed and ranked using multiple Multi-Criteria Decision-Making techniques, including SAW, FUCA, TOPSIS, PROMETHEE, and VIKOR. This approach allowed for a robust comparison of the algorithms and provided insights into their effectiveness in balancing the different design objectives. The results of the study indicate that NSGA-III exhibited superior performance with a GD value of 0.215, reflecting a closer proximity of its solutions to the Pareto front, and an IGD value of 0.329, indicating a well-distributed set of solutions across the Pareto front. In comparison, CTAEA and SMS-EMOA showed higher GD values of 0.326 and 0.436, respectively, suggesting less convergence to the Pareto front. However, SMS-EMOA demonstrated a balanced performance in terms of constructability and structural weight, with an IGD value of 0.434. The statistical significance of these differences was confirmed by the Kruskal-Wallis test, with p-values of 2.50×10−15 for GD and 5.15×10−06 for IGD. These findings underscore the advantages and limitations of each algorithm, providing valuable insights for future applications in structural optimization.
Acaban de publicarnos un artículo en Mathematics, revista indexada en el primer decil del JCR. El documento explora el diseño de estructuras modulares prefabricadas sostenibles utilizando la optimización multiobjetivo (MOO) y la toma de decisión multicriterio (MCDM) con algoritmos avanzados como NSGA-II, NSGA-III y RVEA. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El artículo destaca la importancia de integrar la sostenibilidad del ciclo de vida en los proyectos de infraestructura de transporte para estimular la innovación y la colaboración entre las partes interesadas. Además, presenta una estrategia de diseño novedosa que se centra en la optimización del ciclo de vida de los marcos modulares prefabricados de hormigón armado (RCPMF). Por último, amplía la comprensión de la aplicabilidad de los algoritmos avanzados de MOO y las técnicas de MCDM para mejorar el desarrollo sostenible de la infraestructura.
Las conclusiones más importantes de este trabajo son las siguientes:
El estudio evalúa el rendimiento de optimización del ciclo de vida de los algoritmos NSGA-II, NSGA-III y RVEA dentro de una estructura prefabricada tipo marco de diseño coherente para una infraestructura de transporte sostenible.
El NSGA-III se identifica como el algoritmo con mejor rendimiento, lo que demuestra su potencial para facilitar enfoques de diseño sostenibles.
El problema del MCDM se evalúa rigurosamente y se abordan nueve soluciones no dominantes generadas por los algoritmos de optimización, lo que demuestra la eficiencia y la fiabilidad del marco integrado de MOO y MCDM.
Los resultados abogan por un enfoque transformador del desarrollo de infraestructuras, orientado hacia soluciones de ingeniería más avanzadas y sostenibles.
Abstract:
The advancement toward sustainable infrastructure presents complex multi-objective optimization (MOO) challenges. This paper expands the current understanding of design frameworks that balance cost, environmental impacts, social factors, and structural integrity. Integrating MOO with multi-criteria decision-making (MCDM), the study targets enhancements in life cycle sustainability for complex engineering projects using precast modular road frames. Three advanced evolutionary algorithms—NSGA-II, NSGA-III, and RVEA—are optimized and deployed to address sustainability objectives under performance constraints. The efficacy of these algorithms is gauged through a comparative analysis, and a robust MCDM approach is applied to nine non-dominated solutions, employing SAW, FUCA, TOPSIS, PROMETHEE, and VIKOR decision-making techniques. An entropy theory-based method ensures systematic, unbiased criteria weighting, augmenting the framework’s capacity to pinpoint designs, balancing life cycle sustainability. The results reveal that NSGA-III is the algorithm converging towards the most cost-effective solutions, surpassing NSGA-II and RVEA by 21.11% and 10.07%, respectively, while maintaining balanced environmental and social impacts. The RVEA achieves up to 15.94% greater environmental efficiency than its counterparts. The analysis of non-dominated solutions identifies the 𝐴4𝐴4 design, utilizing 35 MPa concrete and B500S steel, as the most sustainable alternative across 80% of decision-making algorithms. The ranking correlation coefficients above 0.94 demonstrate consistency among decision-making techniques, underscoring the robustness of the integrated MOO and MCDM framework. The results in this paper expand the understanding of the applicability of novel techniques for enhancing engineering practices and advocate for a comprehensive strategy that employs advanced MOO algorithms and MCDM to enhance sustainable infrastructure development.
Figura 1. Puente de A Illa de Arousa. Imagen: V. Yepes (2023).
Acaban de publicar un artículo en el International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements. El estudio evalúa diferentes alternativas de diseño para un puente de hormigón situado cerca de la costa utilizando técnicas de toma de decisiones como TOPSIS, COPRAS y VIKOR, con un enfoque en la sostenibilidad y la evaluación del ciclo de vida. La investigación destaca que el hormigón con humo de sílice funciona mejor a lo largo de su ciclo de vida en comparación con otras soluciones que mejoran la durabilidad, como la modificación de la relación agua/cemento o el aumento del recubrimiento del hormigón. Esta adición puede mejorar significativamente la sostenibilidad al aumentar la durabilidad frente a los cloruros y reducir los requisitos de mantenimiento. El estudio destaca que las decisiones de diseño de infraestructuras deben tener en cuenta los impactos sociales junto con los factores económicos y ambientales, y que las diferentes alternativas de diseño muestran diferentes impactos sociales. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
La industria de la construcción es un sector crítico para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible. Sin embargo, las actividades de construcción y las propias infraestructuras producen impactos positivos y negativos. Ello provoca que el diseño de infraestructuras sea el centro de la investigación actual para encontrar la mejor manera de satisfacer las demandas de sostenibilidad de la sociedad. Aunque los métodos para evaluar el ciclo de vida económico, medioambiental y social de las infraestructuras son bien conocidos, el reto reside en combinar estas dimensiones en un indicador global que ayude a la toma de decisiones. Este estudio utiliza tres técnicas de toma de decisiones, a saber, TOPSIS, COPRAS y VIKOR, para evaluar cinco alternativas de diseño diferentes para un puente de hormigón expuesto a un entorno costero. Para mejorar la coherencia del proceso de toma de decisiones multicriterio, se aplica un enfoque basado en DEMATEL. Los resultados del estudio demuestran que el hormigón que contiene incluso pequeñas cantidades de humo de sílice se comporta mejor a lo largo de su ciclo de vida que otras soluciones habitualmente consideradas para aumentar la durabilidad, como la reducción de la relación agua/cemento o el aumento del recubrimiento de hormigón.
ABSTRACT:
The construction industry has recently been recognized as a critical sector in achieving the Sustainable Development Goals. However, construction activities and infrastructure have both beneficial and non-beneficial impacts, making infrastructure design the focus of current research in finding the best way to meet society’s demands for sustainability. Although methods for economic, environmental, and social life cycle assessments of infrastructures are well-known, the challenge lies in combining these dimensions into a comprehensive indicator that aids decision-making. This study uses three decision-making techniques, namely TOPSIS, COPRAS, and VIKOR, to evaluate five different design alternatives for a concrete bridge exposed to a coastal environment. To enhance the consistency of the multi-criteria decision-making process, a DEMATEL-based approach is applied. The study’s results demonstrate unanimously that concrete containing even small amounts of silica fume performs better over its life cycle than other solutions typically considered to increase durability, such as reducing the water/cement ratio or increasing concrete cover.
Acaban de publicarnos en DYNA, revista indexada en el JCR, un artículo sobre la mejora de la evaluación de la sostenibilidad de puentes en entornos agresivos mediante la decisión grupal multicriterio. Aborda el desafío de combinar las dimensiones económica, ambiental y social en un único indicador holístico para la toma de decisiones en el diseño de infraestructuras. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El artículo contribuye al campo de la evaluación de la sostenibilidad de los puentes en entornos agresivos mediante la aplicación de técnicas de toma de decisiones grupales en el ámbito de los criterios múltiples. Aborda el desafío de combinar las dimensiones económica, ambiental y social en un único indicador holístico para la toma de decisiones en el diseño de infraestructuras.
El estudio evalúa cinco alternativas de diseño diferentes para un puente de hormigón expuesto a un entorno costero utilizando cuatro técnicas de toma de decisiones (ANP, TOPSIS, COPRAS y VIKOR). Los resultados indican que los hormigones que contienen pequeñas cantidades de humo de sílice funcionan mejor a lo largo de su ciclo de vida que otras soluciones que suelen aumentar la durabilidad.
La investigación contribuye al desarrollo de herramientas y métodos para evaluar la sostenibilidad de las infraestructuras y guiar las futuras acciones de diseño en diversas estructuras. Se alinea con el enfoque en promover las iniciativas de economía circular y el cumplimiento de los requisitos ambientales y sociales específicos en las licitaciones de proyectos públicos
Abstract:
The construction industry is increasingly recognized as critical in achieving Sustainable Development Goals. Construction activities and infrastructure have both beneficial and non-beneficial impacts, making infrastructure design a focal point of current research investigating how best to contribute to sustainability as society demands. Although methods exist to assess infrastructures’ economic, environmental, and social life cycle, the challenge remains in combining these dimensions into a single holistic indicator to facilitate decision-making. This study applies four decision-making techniques (ANP, TOPSIS, COPRAS, and VIKOR) to evaluate five different design alternatives for a concrete bridge exposed to a coastal environment. The results indicate that concretes containing even small amounts of silica fume perform better over their life cycle than other solutions usually considered to increase durability, such as water/cement ratio reduction or concrete cover increase.
La industria de la construcción tiene un impacto significativo en el medio ambiente, especialmente en el sector de la construcción residencial, debido a un alto consumo de recursos. Con el fin de reducir el impacto ambiental en las etapas de construcción, servicio y fin de vida de los edificios, los académicos priorizan la adopción de Métodos Modernos de Construcción (MMC) para optimizar el consumo de materiales y minimizar el impacto del ciclo de vida de los edificios.
Este estudio evalúa la sostenibilidad de losas planas de hormigón armado utilizando un sistema estructural hueco, especialmente en entornos que desencadenan la corrosión del hormigón. El análisis se centra en siete alternativas de diseño para una estructura de hotel frente a la playa, empleando la técnica VIKOR para agregar cinco criterios de sostenibilidad. La opción más rentable y beneficioso para el medio ambiente es el uso de hormigón con un 10 % de humo de sílice, lo cual reduce los costos del ciclo de vida en un 87 % e impacta el diseño base en un 67 %. Sin embargo, al considerar criterios de sostenibilidad económica y ambiental, se llegó a mejores diseños sostenibles, como un recubrimiento de hormigón más extenso para las barras de refuerzo inferiores, lo que resulta en un índice de sostenibilidad un 46 % mejor.
El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
Referencia:
SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Sustainable design of lightened reinforced concrete flat slabs in coastal environment.8th International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering IALCCE 2023, July 2-6, Milano (Italy). DOI: 10.1201/9781003323020-300
Os paso el artículo completo, pues está publicado en abierto. Las actas completas del congreso la podéis descargar aquí.
Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Cleaner Production, revista de ELSEVIER indexada en el primer decil del JCR.
Desde el establecimiento de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, ha surgido una gran preocupación sobre cómo disminuir los impactos que resultan de las actividades de construcción. En este contexto, los Métodos Modernos de Construcción (MMC) surgen como una poderosa forma de reducir la huella del ciclo de vida a través de la optimización del consumo de materiales. Este trabajo se centra en la evaluación de la sostenibilidad de diferentes técnicas MMC aplicadas a estructuras de hormigón de viviendas unifamiliares. Se compara el rendimiento del ciclo de vida en términos de sostenibilidad entre un diseño de referencia convencional, un diseño prefabricado, un diseño de losa ligera con discos huecos presurizados y un diseño basado en elementos estructurales de doble pared. La sostenibilidad se evalúa mediante un conjunto de 38 indicadores que abordan no solo la respuesta económica y medioambiental de los diseños, sino también sus impactos sociales. Se aplican cinco de las técnicas más conocidas de toma de decisiones con criterios múltiples (SAW, COPRAS, TOPSIS, VIKOR y MIVES) para derivar el rendimiento del ciclo de vida de cada diseño en una única puntuación de sostenibilidad. Dado que no hay consenso sobre qué método MCDM funciona mejor en las evaluaciones de sostenibilidad, se propone aquí un Índice Global de Sostenibilidad Estructural (GSSI) que combina y pondera los anteriores para ayudar al análisis de los resultados obtenidos. Los resultados muestran que la consideración de las tres dimensiones de la sostenibilidad conduce a diseños equilibrados cuya preferencia no tiene por qué coincidir con los derivados de cada enfoque unidimensional del ciclo de vida.
El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE hasta el 28 de enero de 2022 en el siguiente enlace:
Since the establishment of the Sustainable Development Goals, great concern has arisen on how to diminish the impacts that result from construction activities. In such context, Modern Methods of Construction (MMC) rise as a powerful way to reduce life cycle impacts through optimizing the consumption of materials. This paper focuses on the sustainability assessment of different modern construction techniques applied to concrete structures of single-family houses. The life cycle performance in terms of sustainability is compared between a conventional reference design, a precast design, a lightweight slab design with pressurized hollow discs, and a design based on double-wall structural elements. The sustainability is assessed through a set of 38 indicators that address not only the economic and environmental response of the designs, but also their social impacts as well. Five of the best known Multi-Criteria Decision-Making (MCDM) techniques (SAW, COPRAS, TOPSIS, VIKOR and MIVES) are applied to derive the life-cycle performance of each design into a single sustainability score. Since there is no consensus on which MCDM method works best in sustainability assessments, a Global Structural Sustainability Index (GSSI) combining and weighting the above is proposed here to aid the analysis of the results obtained. The results show that consideration of the three dimensions of sustainability leads to balanced designs whose preference need not coincide with those derived from each one-dimensional life cycle approach.
Keywords:
Sustainability, Construction, Structural design, Life cycle cost, Life cycle assessment, Social life cycle, Multi-criteria decision-making, Modern methods of construction
Reference:
SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2022). Multi-criteria decision- making applied to the sustainability of building structures bases on Modern Methods of Construction.Journal of Cleaner Production, 330:129724. DOI:10.1016/j.jclepro.2021.129724
Nos acaban de publicar en la revista Environmental Impact Assessment Review (primer cuartil del JCR) un artículo relacionado con la aplicación de la teoría neutrosófica para la toma de decisiones multicriterio de alternativas sostenibles de estructuras de viviendas unifamiliares. Se trata de una publicación de la próxima tesis doctoral de Antonio Sánchez Garrido, que codirijo con Ignacio J. Navarro, perteneciente al proyecto de investigación DIMALIFE.
This paper proposes a methodology for the assessment of the sustainability among three different structural design alternatives for a single-family home. The response associated with each alternative has been measured using 43 indicators considering all stages of the life cycle. A decision-making model is carried out on the basis of a neutrosophic group analytical hierarchy process (NAHP-G) capturing the maximum information in terms of credibility, inconsistency and indetermination. The 9 criteria on which an expert group intervenes are finally evaluated using VIKOR. The results show that non-probabilistic uncertainties influence the weights obtained, with maximum deviations in the criteria between 11.91% and 4.95%, if compared to conventional AHP. From the methodology it is obtained that the technological alternative with non-conventional concrete performs best in sustainable terms. Although the industrialized option has less environmental impact, only the simultaneous consideration of the economic, environmental and social pillars in a project will lead to appropriate sustainable designs.
KEYWORDS:
Single-family house; Group multi-criteria decision making; Sustainable design; Neutrosophic sets theory; Analytic hierarchy process; Life cycle thinking; Modern methods of construction
REFERENCE:
SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2021). Neutrosophic multi-criteria evaluation of sustainable alternatives for the structure of single-family homes. Environmental Impact Assessment Review, 89:106572. DOI:10.1016/j.eiar.2021.106572
Seguimos en este entrada explicando los conceptos básicos que subyacen a a toma de decisión multicriterio. El concepto de toma de decisiones multi-criterio(MCDM) abarcaba en sus inicios al conjunto de métodos que servían como herramienta para el proceso de toma de decisiones (Cinelli et al., 2014). Sin embargo, el desarrollo de estos métodos ha sido exponencial, de forma que es necesario algún tipo de clasificación para entender mejor el funcionamiento de cada técnica.
Hwang and Yoon (1981) propusieron dividir los métodos MCDM en métodos de toma de decisión multi-atributo (Multi-attribute decision-making, MADM) y métodos de toma de decisión multi-objetivo (Multiobjective decision-making, MODM). En la Figura se puede ver esta clasificación general de los métodos. Los métodos MADM se utilizan para resolver problemas discretos: las alternativas están predeterminadas y los expertos valoran “a priori” cada criterio e indicando la importancia de cada uno de ellos. Los métodos MODM se utilizan para resolver problemas continuos: las alternativas no están predeterminadas, pues son grupos de soluciones igualmente buenas bajo una serie de restricciones, participando los expertos “a posteriori”.
Los métodos MADM, a su vez, se pueden subdividir en función del tipo de información inicial (determinista, estocástica o incierta), o dependiendo de los grupos de decisores (un único grupo o varios grupos). Sin embargo, la clasificación más habitual es la propuesta por Hajkwociz y Collins (2007) y De Brito y Evers (2016) en los siguientes métodos:
Los métodos de puntuación directa(scoring methods) son los más simples, basados en evaluar las diferentes alternativas mediante operaciones aritméticas básicas. SAW y COPRAS evalúan las alternativas sumando el valor normalizado de cada criterio por su peso correspondiente. SAW es más antiguo y permite realizar este proceso únicamente cuando se desea maximizar un criterio. COPRAS constituye una evolución de SAW y se aplica tanto para criterios que se desean maximizar como minimizar.
Los métodos basados en la distancia (distance-based methods) calculan la distancia entre cada alternativa y un punto concreto. El método GP pretende obtener la alternativa que satisfaga un conjunto de metas, es decir, el punto no es el óptimo, sino aquel que cumpla una serie de condiciones. El método CP trata de obtener aquella alternativa más próxima al hipotético punto óptimo. Los métodos VIKOR y TOPSIS se basan en CP, diferenciándose en la normalización de los criterios. VIKOR tiene en cuenta la distancia a la solución ideal y TOPSIS considera tanto la distancia tanto a la solución ideal como a la solución no ideal.
Los métodos de comparación por pares (pairwise comparision methods) son muy útiles para obtener los pesos de los diferentes criterios y evaluar criterios subjetivos comparando las alternativas entre sí. El método AHP fue el primero en desarrollarse y es uno de los métodos más usados en la toma decisiones. ANP es una evolución del AHP que permite usar criterios dependientes entre sí. MACBETH es una alternativa similar al AHP en cuanto a forma, pero con algunas diferencias en cuanto a conceptos.
Los métodos de superación (outranking methods) establecen una relación de preferencia entre un conjunto de soluciones donde cada una de ellas muestra un grado de dominación sobre las otras respecto a un criterio. Estos métodos son capaces de tratar con información incompleta y difusa, y permite clasificar las alternativas en función de la relación de preferencia existente entre ellas. Dentro de este grupo se encuentran PROMETHEE y ELECTRE.
Los métodos basados en funciones de utilidad o valor (utility/value methods) como MAUT (utilidad) y MAVT (valor), definen funciones que determinan el grado de satisfacción de una alternativa respecto a un criterio. Estas funciones convierten las valoraciones de las alternativas en un grado de satisfacción para cada criterio. Dichas funciones presentan diferentes formas en función de la relación entre la valoración y el grado de satisfacción. MIVES es un derivado de los anteriores en el cual se proporciona las ecuaciones que definen las diferentes funciones de satisfacción.
Tabla. Clasificación de los métodos MADM (Penadés-Plà et al., 2016)
A pesar de todo lo anterior, la vida real es compleja. Siempre existe una incertidumbre en las valoraciones o en las comparaciones. Es por ello que muchos de estos métodos utilizan herramientas como la teoría fuzzy, el método de Montecarlo o los números Grey. Además, cuando la toma de decisiones no es individual, suelen existir diferentes grupos con diferentes intereses, con lo que es necesario llegar a un consenso entre ellos. El método Delphi es una herramienta útil para cuando hay diferentes decisores.
Referencias:
Cinelli, M.; Coles, M.; Kirwan, K. Analysis of the potentials of multi criteria decision analysis methods to conduct sustainability assessment.Ecol. Indic. 2014, 46, 138–148.
De Brito, M. M.; Evers, M. Multi-criteria decision-making for flood risk management: A survey of the current state of the art.Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2016, 16, 1019–1033.
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.
Hajkowicz, S.; Collins, K. A review of multiple criteria analysis for water resource planning and management.Water Resour. Manag. 2007, 21, 1553–1566.
Hwang, C. L.; Yoon, K. Multiple attribute decision making: Methods and Applications; 1981.
Zamarrón-Mieza, I.; Yepes, V.; Moreno-Jiménez, J.M. (2017). A systematic review of application of multi-criteria decision analysis for aging-dam management.Journal of Cleaner Production, 147:217-230.
By retocada por Yeza de la versión original de Alonsoquijano [Public domain], from Wikimedia Commons
Actualmente existe una tendencia clara hacia la evaluación de los impactos en todas las etapas del ciclo de vida de un producto. Esta tendencia ha llegado a los proyectos de estructuras, donde la evaluación de las repercusiones sociales, ambientales y económicas de las distintas alternativas no deriva en una decisión clara y unívoca de la mejor solución, sobre todo cuando los objetivos que se pretenden se encuentran enfrentados entre sí (Jato-Espino et al., 2014; Penadés-Plà et al., 2016; Zamarrón-Mieza et al., 2017; Sierra et al., 2018). El problema de seleccionar la mejor opción en el ámbito del proyecto de puentes ha supuesto una línea de investigación que se ha desarrollado enormemente en las últimas décadas. Balali et al. (2014) expusieron que los problemas relacionados con la toma de decisiones a lo largo del ciclo de vida de un puente se pueden enmarcar dentro de las siguientes fases: (a) proyecto, (b) construcción, y (c) uso y mantenimiento. Estas fases son las que se consideran habitualmente por otros autores (Malekly et al, 2010), que además añaden una última fase en el ciclo de vida de un puente: (d) reciclado o demolición.
Así pues, el proyecto de puentes se caracteriza por la presencia de múltiples objetivos de diseño -muchos contradictorios entre sí-, y la selección de la mejor opción entre distintas alternativas. La calidad, la constructibilidad, la seguridad, el impacto ambiental y el coste son los aspectos que normalmente se consideran en el diseño y la planificación de las operaciones de mantenimiento de un puente. La optimización multiobjetivo (Multi-Objective Optimization, MOO) resulta una herramienta útil cuando varios objetivos desean optimizarse simultáneamente. MOO proporciona un conjunto de soluciones eficaces, constituyendo la denominada frontera de Pareto. Las soluciones que forman parte de la frontera de Pareto no pueden mejorarse sin que empeore cualquier otra solución de dicho conjunto. Koumousis y Arsenis (1998) utilizaron MOO para el diseño de estructuras de hormigón. Liao et al (2011) revisaron los estudios que utilizaron metaheurísticas para problemas relacionados con el ciclo de vida de un proyecto de construcción. Por su parte, Zavala et al. (2013) estudiaron las metaheurísticas utilizadas en la optimización multiobjetivo de las estructuras.
Se pueden reseñar varios estudios que han utilizado la optimización multiobjetivo para comparar el diseño de estructuras de hormigón armado (Reinforced Concrete, RC) atendiendo a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la reducción de costes (Martínez-Martín et al., 2012; García-Segura et al., 2014, 2016; Yepes et al, 2015). Payá et al. (2008) optimizaron pórticos de edificación de RC utilizando como función objetivo la constructibilidad, los costes económicos, el impacto ambiental y la seguridad general de la estructura. Martínez-Martín et al. (2012) optimizaron las pilas RC de un puente considerando como funciones objetivo el coste económico, la congestión de las armaduras pasivas y las emisiones de CO2. Yepes et al. (2015) incorporaron como función objetivo la vida útil en el diseño de una viga de sección en I confeccionada con hormigón de alta resistencia. García-Segura et al. (2014) incluyeron, además, un factor que evalúa la seguridad global en esa misma estructura.
A pesar de que los diseños deben garantizar cierta durabilidad, esta función objetivo suele utilizarse más en el ámbito de la gestión del mantenimiento de infraestructuras ya existentes. Así, Liu y Frangopol (2005) emplearon la optimización multiobjetivo en puentes deteriorados atendiendo a su estado, a los niveles de seguridad y al coste de mantenimiento de la estructura a lo largo del ciclo de vida. Sabatino et al. (2015) optimizaron las operaciones de mantenimiento de la estructura a lo largo de su ciclo de vida bajo los objetivos simultáneos de reducción del coste de mantenimiento y la utilidad mínima anual asociada con un indicador relacionado con la sostenibilidad. Torres-Machi et al. (2015) optimizaron la gestión sostenible de un pavimento considerando simultáneamente aspectos económicos, técnicos y ambientales.
Otro aspecto de interés en el ámbito de la investigación son los procedimientos que permiten seleccionar una solución de un conjunto de opciones posibles atendiendo a múltiples criterios. Las técnicas de toma de decisiones proporcionan un procedimiento racional a las decisiones basadas en cierta información, experiencia y juicio. Estas técnicas pueden clasificarse de acuerdo con la forma en la que el decisor articula sus preferencias. En un proceso “a priori”, los expertos asignan los pesos de cada criterio en la etapa inicial. El proceso “a posteriori” no requiere una definición previa de las preferencias. Por ejemplo, la optimización multiobjetivo genera una gama de soluciones óptimas, que se consideran igualmente buenas –frontera de Pareto-. En este caso, la toma de decisiones tiene lugar “a posteriori”. Este enfoque permite el análisis de las mejores soluciones según cada objetivo, lo cual proporciona información sobre la relación entre los objetivos y las soluciones. Jato-Espino et al. (2014) presentaron una revisión del desarrollo de los métodos de decisión multicriterio aplicados a la construcción. Existen numerosas técnicas de toma de decisiones multicriterio. TOPSIS (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution), VIKOR (Multi-criteria Optimization and Compromise Solution), MAUT (Multi-Attribute Utility Theory), AHP (Analytical Hierarchy Process), ANP (Analytical Network Process), PROMETHEE (Preference Ranking Organization Method for Enrichment Evaluations), DEA (Data Envelopment Analysis), COPRAS (Complex Proportional Assessment) o QFD (Quality Function Deployment), son, entre otras, las más extensamente utilizadas.
Abu Dabous y Alkass (2010) presentaron una estructura jerárquica para la toma de decisiones en la gestión de puentes basados en MAUT y AHP. Sabatino et al. (2015) recurrieron a la teoría de utilidad de múltiples atributos para evaluar diversos aspectos de la sostenibilidad estructural considerando los riesgos asociados a los fallos en el puente y las actitudes frente al riesgo de los decisores. Ardeshir et al. (2014) emplearon un AHP difuso para seleccionar la ubicación para la construcción de un puente. Aghdaie et al. (2012) emplearon AHP y COPRAS para calcular la importancia relativa de los criterios y clasificar las alternativas en la selección de ubicaciones para construir nuevas pasarelas. Balali et al. (2014) seleccionaron el material, el procedimiento constructivo y la tipología estructural de un puente mediante la técnica PROMETHEE. Tanto VIKOR (Opricovic, 1998) como TOPSIS (Hwang y Yoon, 1981) son métodos que seleccionan soluciones basadas en la distancia más corta a la solución ideal. Opricovic y Tzeng (2004) compararon VIKTOR y TOPSIS y mostraron que presentan algunas diferencias en relación con la función de agregación y los efectos de normalización. La técnica difusa (fuzzy) (Zadeh, 1965) es una técnica útil para representar la incertidumbre inherente en la vida real. Joshi et al. (2004) evaluaron un conjunto de criterios para seleccionar la cimentacion más adecuada mediante fuzzy. AHP se combina con fuzzy (Jakiel y Fabianowski, 2015, Wang et al., 2001) para seleccionar entre distintas tipologías de puentes RC y alternativas de plataforma offshore, respectivamente. Abu Dabous y Alkass (2010) indicaron la dificultad en establecer la importancia relativa entre dos elementos con planteamientos deterministas, debido a la incertidumbre inherente al comportamiento de los diferentes elementos.
Se han propuesto muchos métodos para reducir el conjunto de soluciones procedentes de la frontera de Pareto (Hancock y Mattson, 2013). El método de la región de “rodilla” (Rachmawati y Srinivasan, 2009) constituye un método “a posteriori” que distingue los puntos para los cuales una mejora en un objetivo da lugar a un empeoramiento significativo de al menos otro objetivo. Una región de “rodilla” en el frente óptimo de Pareto, visualmente es una protuberancia convexa en la parte delantera, la cual es importante para la toma de decisiones en contextos prácticos, pues a menudo constituye el óptimo en equilibrio. Los métodos de agrupación se centran en ensamblar soluciones en grupos y seleccionar soluciones representativas (Saha y Bandyopadhyay, 2009). Los métodos de filtrado eliminan las soluciones de Pareto que ofrecen poca información al decisor (Mattson et al., 2004). Yepes et al. (2015a) propusieron un procedimiento sistemático “a posteriori” para filtrar la frontera de Pareto, a la vez que proporcionaba conocimiento relevante derivado del proceso de resolución. Esta técnica simplifica la elección de la solución preferente. Para ello se combinan matrices AHP aleatorias con la minimización de la distancia para seleccionar la solución más cercana a la ideal.
Se puede consultar una revisión bibliográfica reciente sobre la aplicación de las herramientas de decisión multicriterio al ciclo de vida de los puentes en el trabajo de Penadés-Plà et al. (2016). En este trabajo se comprueba cómo no existe una métrica universalmente aceptada para medir la diversidad de objetivos de todo tipo que se utilizan en la selección de la mejor opción de proyecto de un puente para un caso determinado. Para ello se analizaron un total de 77 artículos publicados desde 1991. El estudio aplicó un análisis multivariante de correspondencias (ver Figura). De este modo, se recogen los métodos de decisión multicriterio que debe aplicar el ingeniero para la selección de alternativas según la fase del ciclo de vida del puente, así como los criterios que se han considerado en dichos trabajos. La relación más obvia se ha identificado entre la lógica difusa y la fase de uso y mantenimiento. También se observa que el método AHP es ampliamente usado en las tres primeras fases del ciclo de vida de un puente. Finalmente la fase de demolición o reciclado es la menos estudiada, asociándose principalmente al método ANP.
Figura. Análisis de correspondencias entre la toma de decisiones y el ciclo de vida (Penadés-Plà et al., 2016)
Referencias:
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Acaban de publicarnos un artículo en Mathematics, revista indexada en el primer decil del JCR. El documento Mejora del diseño estructural de cerchas metálicas pretensadas mediante optimización multiobjetivo y MCDM. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
