19 junio, 2024 5:27 pm

El análisis de confiabilidad en la evaluación de infraestructura

El análisis de confiabilidad en la ingeniería se ha difundido poco en México, por lo que en el presente trabajo se hace una aproximación al tema para incentivar la discusión sobre el potencial de estos enfoques. Se describen brevemente los casos de éxito y se plantean algunos de los retos que tiene este análisis. El tema de la normativa de la infraestructura se toca tangencialmente, y se mencionan algunas aplicaciones que existen en el plano internacional. Las conclusiones son preliminares.

David de León Escobedo Doctor en Ingeniería. Premio “Nabor Carrillo” del CICM al mejor trabajo de investigación 2016. Ese año ingresó a la Academia de Ingeniería. Es nivel 1 en el SNI y profesor en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de México.

La confiabilidad estructural, en su concepción más sencilla, representa la probabilidad de que un sistema estructural tenga un desempeño adecuado en un tiempo determinado. El desempeño puede medirse a través de diversos estados límite, que pueden ser de falla (excedencia de una capacidad expresada a través de una fuerza, un momento o un desplazamiento, por ejemplo) o de servicio (un estado de vibración, entre otros). Vista así, la confiabilidad estructural consiste en una aplicación de la probabilidad y la estadística, con un enfoque en la seguridad estructural (incluyendo la ingeniería sísmica) y con ella se pretende realizar una modelación de las incertidumbres inherentes a los procesos de planeación, diseño, inspección, mantenimiento y reparación de estructuras. Como toda herramienta matemática, la confiabilidad estructural no es un fin sino un medio, es perfectible y requiere, para su correcta implementación, un conocimiento profundo del problema a tratar, incluyendo las aproximaciones deterministas que intentan resolverlo. Con esta visión, la confiabilidad estructural puede complementar –que no sustituir– otras formas de acercarse a la solución de problemas que atañen a las estructuras, para apoyar la toma de decisiones.

Avances

Para el diseño y mantenimiento de estructuras e infraestructura, desafíos recientes y la creciente complejidad de algunos sistemas estructurales han hecho pensar en la necesidad de introducir un nuevo lenguaje (aunque quizá no es que sea nuevo, sino una presentación diferente de algo que ya se había introducido hace muchos años) para referirse a la valoración probabilista del estado de seguridad estructural de un sistema complejo. Así, en vez de simplemente decir si un diseño pasa o no una especificación, se puede describir el balance costo-beneficio o riesgo-beneficio proveyendo a los tomadores de decisiones de elementos de juicio que les permitan elegir la mejor estrategia de inversión para administrar el riesgo de una instalación nueva o para mantener una existente dentro de los niveles de desempeño deseados.

Desde hace varias décadas, el uso de herramientas de confiabilidad había sido prefigurado por Rosenblueth y Esteva (1972) para establecer estándares para diseño. La confiabilidad estructural, que encuentra en las obras de infraestructura un área de aplicación con la mayor pertinencia, ofrece varias ventajas, como la de abrir ventanas de oportunidad para ampliar la información que describa el desempeño de estructuras incluyendo las incertidumbres inherentes a los peligros o a las acciones y las resistencias. La confiabilidad estructural puede medir el desempeño, variable en el tiempo, ante estados límite de falla o de servicio, y puede ser de utilidad para enfrentar desafíos de alta complejidad, tanto de diseño como de mantenimiento de infraestructura. También permite emplear el enfoque bayesiano de actualización para incorporar el beneficio de información nueva, como la que surge de pruebas o instrumentación.

Se ha reconocido que, al hacer pronósticos de largo plazo, como los de efectos del cambio climático, a medida que es mayor el plazo, mayores son las incertidumbres de dichos pronósticos (Molina y Rowland, 1974). Por ello se avizora un campo de oportunidad para implementar esta herramienta tanto para hacer evaluaciones de seguridad estructural como para modelar las probables acciones que pueden surgir de diversos peligros (entre ellos los naturales) en el ciclo de vida de la infraestructura. Así, de acuerdo con el conocimiento más avanzado, se pueden acompañar estas estimaciones con las medidas de la incertidumbre asociada. Esta versatilidad de la herramienta la hace idónea para proponer medidas de optimación en el largo plazo y para establecer bases de cómo invertir los recursos para intentar administrar el riesgo (entendido como el valor esperado de las pérdidas que resultan de las consecuencias de un comportamiento indeseable de la infraestructura) y mantenerlo dentro de límites aceptables.

Las crecientes pérdidas por afectaciones en la infraestructura, ante el impacto de peligros naturales, obligan a pensar en esquemas novedosos para evaluar el estado de daño y generar recomendaciones efectivas para mitigarlo, como las que se basan en el análisis de decisiones informadas en riesgo y en el ciclo de vida de la infraestructura. Este es un campo propicio para usar las herramientas de análisis de riesgo y confiabilidad.

La confiabilidad estructural puede aportar en la necesidad actual de una normativa, basada en riesgo, que considere las condiciones “propias” de los peligros en una forma robusta y objetiva y, de hecho, ha servido para contribuir a generar estrategias de protección financiera para la industria de los seguros en temas de peligro sísmico y otros tipos de peligro. Desde el decenio de 1970 se tuvo la visión de iniciar el primer proceso de transferencia tecnológica con la industria de los seguros, en cuanto al riesgo sísmico de construcciones (Esteva y Guerra, 1978). Asimismo, ha habido propuestas para administrar el riesgo con herramientas probabilistas (Darío et al., 2012). La infraestructura en México requiere bases para establecer de manera clara y sistemática el nivel de riesgo que la sociedad considera, en los hechos, como “tolerable” o “aceptable” tal como se ha planteado para la industria petrolera (Valle, 2014).

El análisis de confiabilidad ofrece a los usuarios formatos más flexibles y con mayor información que la de los reglamentos actuales, al proveer datos sobre el equilibrio entre las inversiones necesarias para obtener niveles de seguridad o desempeño adecuados y las pérdidas probables que se pueden presentar en los distintos tipos de infraestructura, incluyendo las pérdidas de los beneficios que su adecuado funcionamiento aporta a la sociedad.

Este tipo de aproximaciones permite también generar análisis de vulnerabilidad variable en el tiempo, con el potencial de modelar de manera más o menos realista el deterioro producto de la exposición a un ambiente corrosivo, por ejemplo, o al daño acumulado derivado de la ocurrencia de daños por peligros naturales sin acciones de reparación o mantenimiento de la infraestructura.

La derivación de factores de carga y resistencia para niveles prestablecidos de confiabilidad, para construcciones urbanas, por ejemplo, ha sido un producto generado por varios grupos de investigación para el diseño de reglamentos de sismo (Rosenblueth y Esteva, 1972), para optimación estructural (Bojórquez et al., 2017) y para otras aplicaciones se han desarrollado para plataformas marinas (Silva y Heredia, 2007), ductos para hidrocarburos (Quej-Aké et al., 2015), así como trabajos recientes sobre estructuras fijas costa fuera (Varela y Tolentino, 2022).

Las necesidades de protección para infraestructura portuaria y costera, como muelles y rompeolas, entre otras obras, han sido ilustradas con conceptos de durabilidad (Torres-Acosta et al., 2005). Ellos han mostrado que la protección de esta infraestructura representa un campo de oportunidad para la implementación de programas y estrategias basadas en confiabilidad y que, de hecho, el diseño basado en durabilidad es una variante de la confiabilidad orientada al diseño y mantenimiento de obras. También existe un estudio sobre el mantenimiento óptimo de escolleras informado en riesgo y confiabilidad (De León y Loza, 2019) que muestra la factibilidad de aplicar estos conceptos, criterios y herramientas en la administración sustentable de esta infraestructura, entendiendo por sustentable un ejercicio de recursos que no comprometa los de las siguientes generaciones. El tema del cambio climático refuerza la pertinencia de las evaluaciones de confiabilidad para proteger esta infraestructura de los nuevos impactos en las costas y fuera de ellas en el mediano y largo plazo.

El monitoreo de lo que se ha denominado “salud estructural” representa una oportunidad para actualizar las propiedades mecánicas y reducir la incertidumbre de los modelos estructurales. El bajo costo de los trabajos y equipos de mantenimiento respecto a la reducción de pérdidas potenciales (comparación que resulta más contrastante cuando la infraestructura tiene un valor importante) abre la puerta para promover proyectos de instrumentación que –se ha demostrado de manera consistente– contribuyen a la optimización de recursos para proteger y mantener la infraestructura del país. Por ejemplo, en el caso de estructuras dañadas por sismos, la práctica de no reparar de inmediato pone en peligro a la construcción por la posible ocurrencia no solo de un evento sísmico, sino de varios en el futuro. De este modo, desafortunadamente, se contribuye a la construcción de riesgo por daño acumulado.

En el tema de infraestructura eléctrica, se han desarrollado actualizaciones del Manual de Diseño de Obras Civiles (sismo y viento) en relación con la introducción de periodos de retorno variables para diseño de obras en la industria eléctrica, con diversos niveles de pérdidas potenciales (CFE, 2015).

También, se han propuesto estudios de riesgo y confiabilidad en puentes atirantados (Samayoa et al., 2006).

Aplicaciones de confiabilidad

En el tema de mantenimiento preventivo de puentes, se han desarrollado procedimientos basados en confiabilidad para identificar los tiempos de inspección y mantenimiento con base en información del avance del deterioro en el puente (Frangopol y Liu, 2007). Asimismo, se han propuesto diversas aplicaciones de la confiabilidad para el diseño y mantenimiento de plataformas marinas (Sorensen et al., 1994) y barcos (Moan, 1990), así como de aerogeneradores localizados costa fuera (Pérez et al., 2013).

Diversos trabajos sobre confiabilidad estructural son verdaderos compendios de las herramientas del análisis de riesgo y confiabilidad (Ang y Tang, 1984; Der Kiureghian, 2022).

El análisis de confiabilidad también se ha aplicado en la evaluación y el diseño de presas. En particular, las conferencias de la International Commission on Large Dams y, por ejemplo, el grupo de Johansson (Johansson et al., 2018), que ha desarrollado bases de confiabilidad para el diseño de presas de concreto.

En el desarrollo de infraestructura marítimo-portuaria, la escuela de Noruega, Dinamarca y Países Bajos ocupa un liderazgo desde hace muchos años. La tradición naviera de esos países, así como los problemas de inundaciones que se presentan en algunos puntos de Europa central, han sido factores que han orientado su interés en promover la ciencia y la tecnología para sus obras de protección. Un ejemplo de estas obras son las escolleras donde se ha forjado una tradición a través de la generación de modelos numéricos y experimentales para el avance del tema (Van der Meer, 1988).

Múltiples aplicaciones del análisis de confiabilidad a obras de ingeniería civil se pueden encontrar en las diversas conferencias del grupo de la International Association for Life-cycle in Civil Engineering.

Retos

No se debe reconstruir buscando dejar la infraestructura con el nivel de seguridad que tenía antes del daño: eso es construir el riesgo. Un reto importante es definir objetivos basados en la minimización del riesgo para la vida útil remanente de la infraestructura.

También está pendiente evaluar la confiabilidad de sistemas para instalaciones complejas (correlaciones entre miembros estructurales, interacciones entre estados límite y modos de falla progresiva, etc.)

Otro reto implica la construcción de envolventes en condiciones de multipeligro o peligros con más de una variables (como el deslizamiento de laderas críticas ante procesos de secuencias de lluvia con intensidad-duración variable), o la combinación de corrosión más viento o sismo en un puente, por ejemplo.

En adición, se requiere considerar el daño acumulado en construcciones sujetas a peligro sísmico donde no se repara de inmediato y se expone la construcción a una serie de eventos inciertos en lugar de uno solo.

Asimismo, se necesitan guías técnicas para la extensión de vida útil de infraestructura que está envejeciendo.

Hacen falta, también, estrategias de aseguramiento de infraestructura (estudios a realizar para reducir el monto de las primas).

Existen igualmente desafíos en la formación: desarrollo de capacidades para fortalecer técnicamente a dependencias públicas ligadas al desarrollo y mantenimiento de infraestructura; revigorizar la liga entre institutos, academias, universidades y empresas tecnológicas con potencial de asesoría y las dependencias públicas y privadas relacionadas con la contratación y el seguimiento de empresas internacionales en obras de infraestructura.

Oportunidades

Los programas de prevención de desastres y reconstrucción de infraestructura dañada, debido a múltiples peligros, pueden orientarse para administrar el riesgo y racionalizar la ejecución del gasto en estos rubros para seleccionar e implementar las medidas costo-efectivas que reduzcan costos en el largo plazo.

Es necesario el desarrollo de criterios que minimicen costos en el ciclo de vida para estándares de diseño y mantenimiento. La generación de una normativa, basada en riesgo, ofrece una nueva ventana de opciones que representan el mejor balance riesgo/beneficio para invertir de manera inteligente con resultados óptimos en el largo plazo.

Debe mejorarse la planeación y el diseño de bases de concurso de obra para infraestructura mediante la identificación y el modelado de incertidumbres y umbrales del monto de la inversión necesaria para los estudios preliminares (proyecto ejecutivo) que acoten las incertidumbres en las demandas que resultan de peligros naturales. Todo ello con la visión del ciclo de vida de la infraestructura.

Conclusiones preliminares

El desarrollo y la aplicación de criterios y herramientas de confiabilidad para apoyar la infraestructura nacional pueden aportar en la mejora de las estrategias para una planeación, diseño, mantenimiento y operación informados en riesgo mediante prácticas sustentables en aspectos financieros, sobre todo en el largo plazo. El alcance de esta mejora permite que las inversiones en el diseño y mantenimiento puedan optimizarse en el ciclo de vida de la infraestructura, con lo cual se reducen los gastos en que se incurre cada vez que un peligro natural daña alguna. Así, se puede racionalizar el gasto en reparaciones sin comprometer los recursos de las generaciones futuras.

En particular, la evaluación de peligros y vulnerabilidades, incluyendo las incertidumbres inherentes, ofrece un amplio espacio de oportunidades. Asimismo, la valoración de la confiabilidad variable en el tiempo representa un nicho para generar programas óptimos de mantenimiento para obras de infraestructura. La administración de riesgo mediante el uso de cómputo de alto rendimiento y herramientas de inteligencia artificial, como las redes bayesianas, algoritmos genéticos y técnicas de machine learning ofrecen amplios campos para desarrollar algoritmos de simulación de mayor eficiencia que los empleados anteriormente. Todo ello, entre otros desarrollos tecnológicos que están naciendo apenas, promoverán el uso de métricas que podrán ofrecer a los inversionistas información para la toma de decisiones informadas en riesgo, para la planeación, diseño y mantenimiento de obras de infraestructura.

El cambio climático y la necesidad de contar con normas actuales que mitiguen el impacto ambiental provocarán que se generen nuevos desarrollos orientados a tomar las medidas de prevención adecuadas para lograr un desarrollo sostenible con el nivel y calidad de infraestructura que requiere nuestro país.

Es importante consolidar las acciones de difusión para acelerar la transferencia y asimilación de conocimientos y el desarrollo de capacidades sobre las técnicas de confiabilidad para su aplicación en temas de infraestructura, hacerse a través de las instituciones

de educación superior y otros centros de capacitación y actualización, en los niveles de licenciatura y posgrado. El ampliar la difusión de las bases y los beneficios del uso de estas técnicas en la ingeniería de la infraestructura llevará a un mejor entendimiento y a la apertura de opciones para concretar su aplicación en la práctica.

Se requiere intensificar la formación de grupos que sistemáticamente promuevan el tema fortaleciendo la generación de talento con nivel especializado en el tema para cada tipo de infraestructura en el país.

Referencias

Ang, A., y W. Tang (1984). Probability concepts in engineering planning and design. Vol. 2. Decision, risk, and reliability. Nueva York: John Wiley & Sons.

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Comisión Federal de Electricidad, CFE (2015). Manual de Diseño de Obras Civiles, capítulo Diseño por Sismo.

Darío, O., et al. (2012) CAPRA: Comprehensive Approach to Probabilistic Risk Assessment: International Iniciative for Risk Management Efectiveness. XV Congreso Mundial en Ingeniería Sísmica, Lisboa.

De León y Loza (2019). Reliability-based analysis of Lázaro Cárdenas breakwater including the economical impact of the port activity. International Journal of Disaster Risk Reduction 40.

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Molina, M. J., y F. S. Rowland (1974). Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: chlorine atom-catalysed destruction of ozone. Nature 249: 810-812.

Pérez, J., et al. (2013) Wind turbine reliability analysis. Renewable and Sustainable Energy Reviews 23: 463-472.

Rosenblueth, E., y L. Esteva (1972). Reliability basis for some Mexican codes. Probabilistic Design of Reinforced Concrete Building SP31: 1-42.

Samayoa, D., et al. (2006). Análisis de confiabilidad y riesgo en puentes atirantados. Publicación Técnica 301. Sanfandila: IMT.

Silva, G., y Z. Heredia (2007). Confiabilidad sísmica de plataformas marinas con daño por fatiga para la elaboración de planes de inspección basados en riesgo. Revista de Ingeniería Sísmica 77: 1-21.

Sorensen, J. D., et al. (1994) Optimal reliability-based code calibration. Structural Safety 15(3):197-208.

Torres-Acosta, A. A., et al. (2005) Structural evaluation and rehabilitation of concrete arches in the Progreso pier. Proceedings of the International Congress on Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting. Londres: Taylor & Francis.

Valle, M. O. (2014) El ingeniero civil en la explotación de los hidrocarburos en regiones marinas de México. Visión Prospectiva México 2030. México: CICM y Alianza Fiidem.

Van der Meer, J. W. (1988). Deterministic and probabilistic design of breakwater armor layers. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering 114: 66-80.

Varela, G., y D. Tolentino (2022). Evaluation of the structural reliability of a fixed offshore structure over time. 7th World Congress on Civil, Structural, and Environmental Engineering.

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