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La Clave | Investigación aplicada en la ingeniería 2

Foresee: Estrategias de futuro para la resiliencia en las redes de transporte frente a eventos extremos

David García-Sánchez

TECNALIA, Basque Research and Technology Alliance (BRTA), España.

Daniel Castro Fresno

Universidad de Cantabria, España.

Bryan Tyrone Adey

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Zúrich, Suiza.

Fabrizio Federizio

Aiscat Servizi S. R. L., Italia.

Marvin Richter

Fraunhofer Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E. V., Alemania.

FORESEE fue uno de los cuatro proyectos de colaboración H2020 sobre infraestructuras resilientes financiados por la Comisión Europea de acuerdo con la Estrategia de la UE para la Adaptación al Cambio Climático entre los años 2018 y 2022. Proporciona herramientas para mejorar la resiliencia de las infraestructuras de transporte. En concreto, su objetivo es reducir la magnitud y/o duración de los eventos disruptivos (riesgos naturales y antropogénicos), como terremotos, inundaciones, incendios o deslizamientos de tierras. A través de nuevas tecnologías innovadoras, metodologías y esquemas resilientes, FORESEE aborda la eficacia de las medidas destinadas a mejorar la capacidad de anticipar, absorber, adaptarse y/o recuperarse rápidamente de un evento disruptivo, principalmente en infraestructuras de carretera y ferroviarias. FORESEE propone una metodología armonizada de evaluación de la resiliencia y un conjunto de herramientas integradas capaces de reducir las consecuencias con una perspectiva sistémica. Consiste en: a) la actualización de las mejores metodologías disponibles desde un enfoque basado en el rendimiento; b) un sistema de conocimiento de la situación basado en el mejor sistema de adquisición de datos disponible; c) tecnologías innovadoras como pavimentos permeables, sistemas de estabilización de taludes, drenajes innovadores y rediseño de rutas críticas y enrutamiento; y d) directrices para su adaptación.

Palabras clave: Resiliencia, riesgo, infraestructura, transporte, monitorización estructural, simulación, plan de mantenimiento, plan de resiliencia, gestión de activos, plataforma software.

FORESEE was one of four H2020 collaborative projects on resilient infrastructures recently funded by the European Commission according to the EU Strategy on Adaptation to Climate Change. In a global sense, FORESEE provides cost effective and reliable tools to improve the resilience of transport infrastructure. Namely, it aims to reduce the magnitude and/or duration of disruptive events (natural and anthropogenic hazards), such as earthquakes, floods, fire or landslides. Through new innovative technologies, methodologies and resilient schemes, FORESEE addresses the effectiveness of measures aiming to improve the ability to anticipate, absorb, adapt to, and/or rapidly recover from a disruptive event, mainly in road and rail infrastructure and transport hubs. FORESEE proposes a harmonised resilience assessment methodology and an integrated Toolkit able to reduce the consequences with a systemic perspective. This consists of: a) the update of the best available methodologies from a performance-based approach; b) a situational awareness system based on best available data acquisition system; c) innovative technologies such as permeable pavements, slope stabilisation systems, innovative drainage and design of innovative engineering of links/interconnections based on re-routing strategies, and d) guidelines for the adaptation.

Keywords: Resilience, risk, infrastructure, transportation, structural health monitoring, simulation, maintenance plan, resilience plan, asset management, software platform.

A escala internacional, existe una creciente demanda para mejorar la resiliencia de nuestras infraestructuras críticas. Esto responde al hecho de que los activos críticos son extremadamente frágiles ante eventos no planificados o disruptivos. En el contexto de las infraestructuras de transporte, los operadores se esfuerzan por garantizar que los activos y servicios de transporte funcionen de forma continua y segura frente a una serie de peligros existentes y emergentes. Esto ha llevado a centrarse específicamente en el concepto de resiliencia y en cómo puede definirse, medirse y mejorarse en todo el sistema de transporte (Hughes & Healy, 2014).

En este sentido, FORESEE prioriza los peligros más disruptivos que afectan a la red de transporte, analizando el impacto de los activos de la infraestructura de transporte y de los usuarios (ciudadanos y mercancías) con el objetivo principal de proporcionar herramientas rentables e innovadoras para mejorar la resiliencia.

El proyecto, con un marcado carácter internacional, reunió a un equipo completo, experimentado, multidisciplinar y muy diverso gracias a 20 socios procedentes de 7 países de la Unión Europea y un País Asociado (Suiza), y estuvo integrado por todos los principales tipos de instituciones necesarias para cubrir la cadena de valor global del proyecto: organismos de investigación (TEC, FRA, UC, BATH-SURREY, ETH, UEDIN), pymes tecnológicas (FAC-KPMG, CEM, ICC, IVE), grandes organizaciones (RINA-C, FERR, LB-WSP, TVUK) y empresas concesionarias y operadores como usuarios finales (IP, AIS, ASPI) tal y como se puede ver en la (véase tabla siguiente).

Experiencia y principal papel de las entidades participantes

El problema

Hay una falta general de visión en cuanto a la necesidad de desarrollar estrategias que incluyan los eventos disruptivos, especialmente a largo plazo, en la gestión de la infraestructura de transporte debido a la incapacidad de monetizar la resiliencia relativa a las decisiones de inversión. Además, existen fuertes barreras a la implantación de la resiliencia en la práctica operativa, barreras jurídicas, organizativas (lagunas en las capacidades de liderazgo, coordinación y mano de obra), incertidumbre sobre la probabilidad, los costes y las consecuencias de los riesgos emergentes (efectos en cascada, interdependencias, congestiones de tráfico, etc.) (Baylis et al., 2015) y quizá por eso no se destinan suficientes recursos para invertir de cara a prepararse y adaptarse a todos los peligros posibles.

Puede decirse que las inversiones en cuestiones emergentes (por ejemplo, la adaptación al clima) son difíciles de justificar cuando los beneficios no están claros y se plantean como urgentes las prioridades a corto plazo, como la mejora de la seguridad o la necesidad de aumentar la capacidad.

FORESEE entiende que los principales objetivos a día de hoy y de cara a integrar la importancia de los eventos extremos en la gestión de las infraestructuras son: a) aumentar la comprensión del riesgo y los costes asociados a los eventos extremos con el fin de reducir la incertidumbre permitiendo una implementación de decisiones de resiliencia más fiables y precisas a diferentes escalas de tiempo y ciclo de vida de la infraestructura; b) aumentar la conciencia de la situación antes, durante y después de los eventos extremos y el conocimiento de los beneficios de las estrategias de adaptación basadas en enfoques/metodologías tecnológicas existentes actualizadas y el desarrollo de nuevas soluciones innovadoras; c) la operacionalización de las políticas de resiliencia en la práctica operativa, traduciéndolas en orientaciones normativas, prácticas y procedimientos programáticos, criterios de financiación y procesos de contratación pública; y d) desarrollo de enfoques para la evaluación de riesgos en función de los costes y conceptos de criticidad para apoyar inversiones acertadas en medidas de adaptación y mejora de las infraestructuras.

FORESEE prioriza los peligros más disruptivos que afectan a la red de transporte

Principales resultados de FORESEE

FORESEE se centró en generar valor añadido para dos destinatarios o usuarios finales principales, esto es: a) las autoridades nacionales de transporte y administraciones, y b) los operadores de infraestructuras de transporte y usuarios y transporte de mercancías.

Los principales resultados de FORESEE son:

  • Traffic Module. Incluye un script de software multiescenario que hace uso de las simulaciones de tráfico existentes a través de herramientas tradicionales de análisis de tráfico para estimar la pérdida potencial de servicio asociada a múltiples valores de indicadores de resiliencia utilizando algoritmos estocásticos. El objetivo del módulo de tráfico es permitir realizar mediciones de resiliencia con simulaciones de tráfico incluso cuando existen algunos parámetros de entrada inciertos. Esta herramienta ha sido desarrollada principalmente por LBG-WSP.
  • Fragility Functions y módulo de funciones de vulnerabilidad e intérprete de apoyo a la toma de decisiones por RINA-C. El objetivo principal de esta herramienta, en colaboración con el módulo de tráfico, es ofrecer a los gestores y propietarios de infraestructuras un instrumento fácil de usar y eficaz que les permita gestionar los activos y los recursos financieros de manera óptima respetando al mismo tiempo los niveles de seguridad exigidos.
  • Virtual Modelling y predicción de daños en activos por RINA-C. Esta herramienta aprovecha los datos InSAR de satélite para restringir los modelos predictivos de daños en taludes adaptando el modelo de estabilidad de taludes existente, que utiliza datos de precipitaciones para predecir las presiones de poros que conducen a la predicción del movimiento del terreno.
  • Structural Health Monitoring (SHM) algorithms. TEC propone un sistema de monitorización estructural que puede dividirse en dos partes principales: (a) una herramienta de alerta en tiempo real, con métodos estadísticos y/o de machine learning basados fundamentalmente en datos no dañados para la detección de valores atípicos únicamente (SHM de nivel I (Rytter, 1993)); y (b) una herramienta de localización y cuantificación de daños basada en algoritmos de inteligencia artificial supervisada entrenados con escenarios de daños sintéticos.
  • El resultado de la metodología y los algoritmos propuestos (Fernández-Navamuel, 2022a) (Fernández-Navamuel, 2022b) es una evaluación particularizada de un puente basada en su respuesta dinámica estructural, que incluye la detección, localización y cuantificación de daños (SHM de nivel 3).
  • S-SHM BIM based alerting SAS platform. Esta herramienta desarrollada por TVUK es una API que genera alertas RAG sobre un BIM y permite su visualización en 3D. Las alertas se plantean en correspondencia con conjuntos de datos de movimiento observados cerca, en el BIM, utilizando un modelo de predicción de fallo de deslizamiento, datos de sensores in situ y datos InSAR por satélite.
  • Governance module. Herramienta desarrollada por la UC que integra los conceptos de gobernanza y los de servicio en la toma de decisión en distintas fases del ciclo de vida de una forma automática, sencilla y transparente para todas las partes interesadas.
  • Datasets/maps hot spots, risks and impact ranking. El objetivo principal de esta herramienta desarrollada por la UC es identificar y evaluar el riesgo de desastres naturales en diferentes áreas de estudio mediante el uso de una aplicación implementada en GIS. Esta aplicación analiza, evalúa e identifica los riesgos para mejorar la toma de decisiones.
  • Flooding assessment. La UC también ha desarrollado una metodología novedosa para el estudio de las inundaciones utilizando técnicas estadísticas avanzadas para mejorar el cálculo de la extensión de las inundaciones para diferentes periodos de retorno mediante una mejor exploración del espacio de los extremos. Los principales temas de investigación en relación con la fase de explotación y mantenimiento considerada son los efectos de las inundaciones en las operaciones ferroviarias en combinación con los planes de mantenimiento y contingencia. Además, mediante modelos se evalúan los efectos de las inundaciones en diferentes componentes de la vía de ferrocarril en función del nivel del agua.
  • Command and Control Center (C2). La C2 de la FRA tiene por objetivo aumentar el conocimiento de la situación de los usuarios del conjunto de herramientas FORESEE, así como la identificación temprana de valores que puedan suponer un riesgo para la infraestructura y los usuarios (niebla, nieve, precipitación extrema, otros). Las alarmas relativas a peligros potenciales para una infraestructura se activan basándose en técnicas eficaces de detección de anomalías mediante machine learning.
  • Hybrid data assessment package. Es una herramienta de aprendizaje automático desarrollada por ETHZ para la fusión de datos para el diagnóstico y pronóstico de fallos ante una amenaza. El módulo sirve de forma general para abordar diferentes estructuras (puentes o túneles) y amenazas (ciberataque, inundación, terremoto).
  • Cybersecurity assessment. Metodología para el desarrollo de un estudio socioeconómico considerando ciberataques. Impacto en el tráfico y rutas alternativas en la circunvalación M-30 por FERR.
  • La UC desarrolló las siguientes soluciones:
  • Pavimentos asfálticos permeables con mejora de la resiliencia ante fenómenos extremos.
  • Nuevo sistema de estabilización-protección de taludes que combina en un mismo kit membranas flexibles y geosintéticos (Jiménez-Fernández, 2022).

CEM desarrolló una metodología basada en métodos estadísticos, análisis de datos y herramientas GIS para la adaptación de los drenajes al paradigma de los drenajes sostenibles, teniendo en cuenta los efectos del cambio climático en los patrones de precipitación.

Ingeniería innovadora de enlaces/interconexiones. Casos de estudio y validación

La validación de estos resultados se ha realizado mediante su aplicación en algunos de los siguientes casos reales en operación y servicio aplicando la metodología desarrollada por ETHZ para estimar la resiliencia en infraestructuras del transporte (Adey, 2021):

  • Caso de estudio #1 (AIS): Autopista A24 Carsoli-Torano (Italia). El piloto se centró en un tramo de la autopista A24 (del km 52 al km 73).

El estudio se centró tanto en la red lineal de carreteras como en los activos críticos, prestando especial atención a los túneles y puentes.

Los principales peligros que afectan a este caso de estudio son los terremotos, las condiciones meteorológicas extremas (principalmente en forma de nieve) y los efectos en cascada derivados por el tráfico pesado. En el periodo invernal, los principales problemas críticos son los relacionados con condiciones meteorológicas adversas como la nieve, la niebla y la niebla helada. También hay importantes corrimientos de tierras adyacentes a Carsoli.

Aunque casi todas las herramientas FORESEE seleccionadas solo pudieron ser evaluadas teóricamente, fue posible reconocer el valor añadido preliminar de utilizar nuevas herramientas específicamente diseñadas para comprender el estado actual en términos de resiliencia y, en consecuencia, seleccionar soluciones específicas para una adecuada priorización de las inversiones relacionadas con activos críticos con el fin de elevar el nivel de resiliencia y estar mejor preparados en caso de un evento específico partiendo de la experiencia pasada, pero mejorando los procedimientos actuales con nuevas capacidades e información.

Herramientas validadas en Caso de Estudio #1
  • Caso de estudio #2 (ASPI): Autopista A16 de Nápoles a Bari (Italia).

La autopista A16 discurre de Nápoles a Bari a lo largo de la red básica de la RTE-T Corredor n. 5 Escandinavo-Mediterráneo. En la zona concreta de estudio (km 70 a km 100) hay un total de 20 puentes (con una longitud total de unos 3 km). Estos puentes tienen un esquema estructural de tableros simplemente apoyado con vigas y vigas transversales de hormigón postensado, y son una tipología representativa en toda Italia. La naturaleza altamente arcillosa de estos suelos influye fuertemente en la estabilidad de los taludes. Los puentes sufren un problema de deterioro que presenta los mismos patrones debido a las técnicas de construcción y a las condiciones climáticas adversas y la sismicidad.

Combinación de técnicas híbridas de monitorización en Caso de Estudio #2

Para ASPI, la introducción de conceptos de resiliencia representó un valor añadido en la definición y consecución de estrategias y objetivos a largo plazo.

ASPI identificó en fase de validación beneficios derivados de la aplicación del conjunto de herramientas en el ámbito de la gestión y explotación de las redes (mejora del servicio/resiliencia de las redes); reducción de riesgos mediante la combinación de técnicas de monitorización in situ y satelitales (véase infografía de la izquierda); aumento de la fluidez del transporte (mejora de la seguridad y protección de la movilidad, reducción del número de atascos y gestión de alertas y emergencias).

  • Caso de estudio #3 (UC):

Viaducto de Montabliz en España. Con 198 m de altura Montabliz es el viaducto más alto de España y el sexto de Europa. Está situado en la autovía A67 que conecta Cantabria con el centro de España.

En este estudio de caso se validó la herramienta de gobernanza proporcionando una herramienta útil para la toma de decisiones durante la fase de contratación y diseño considerando el concepto de resiliencia.

  • Caso de estudio #4 (IVE): Tramo 6185 (Oebisfelde-Berlin Spandau) en Alemania.

En este caso se estudió la influencia de las inundaciones en la línea de ferrocarril. Para ello, el IVE eligió la vía nº 6185 entre Oebisfelde y Berlín-Spandau, una línea de alta velocidad que une Hannover y Berlín propiedad de DB Netz AG. La vía tiene muchos puentes que cruzan el río Elba.

La parte más interesante era la relativa al cruce del río Elba, que ya sufrió daños con las inundaciones de 2013. La vía elegida es una vía en placa.

La validación concluyó que la aplicación de las herramientas FORESEE seleccionadas podría aumentar la resiliencia de la infraestructura ferroviaria de forma muy beneficiosa. Con la definición del LoS, se definió el estado actual de la infraestructura para su monetización y, de este modo, encontrar los indicadores óptimos (KRI) y los objetivos (KRT) de mejora. Para esta posible mejora, se validaron distintas herramientas de software desarrolladas en FORESEE, de las cuales las herramientas para el modelo de inundación de puentes, los Datasets/maps hot spots, risks and impact ranking y el C2 fueron las más valoradas

  • Caso Estudio #5 (FERR):

La circunvalación de Madrid Calle 30 es la infraestructura viaria más importante y con más tráfico de España. 1,5 millones de vehículos utilizan a diario (parte de) la Calle 30, de los cuales 200 000 realizan un trayecto «completo» que abarca el uso de todos los túneles (48 km en total).

El ciberataque es un peligro antropogénico relativamente nuevo a tener en cuenta en las infraestructuras de transporte como Calle 30.

Además, es bien sabido que las inundaciones son un problema global y se consideran el desastre natural más frecuente en todo el mundo. Pueden tener graves repercusiones socioeconómicas y causar la pérdida de vidas humanas, el desplazamiento de poblaciones y la quiebra de empresas. Como parte del proyecto FORESEE, la UC ha desarrollado una metodología novedosa para mejorar la estimación de los periodos de retorno de las inundaciones. Este procedimiento innovador tiene como objetivo proporcionar una mejor comprensión de la verdadera magnitud de las inundaciones perturbadoras.

Con la ayuda de Calle 30 y FERR, la metodología se aplicó a la autopista M-30 de Madrid (España) para comprobar su respuesta frente a eventos de baja frecuencia en dos localizaciones específicas a lo largo del río Manzanares, aguas arriba del puente de Toledo y aguas arriba de la presa n.º 9 (véase infografía siguiente). Otro peligro analizado y estudiado fue el de amenaza frente a incendio. Para ello se realizaron distintas simulaciones dinámicas de incendios por parte de TEC.

De arriba a abajo, Autopista A-24 Carsoli-Torano (Italia). Autopista A-16 de Nápoles a Bari (Italia). Viaducto de Montabliz (España). Tramo 6185 (Oebisfelde-Berlín Spandau. Alemania).
  • Caso Estudio #6 (IP): Puente 25 de abril en Lisboa (Portugal).

Este caso de estudio contribuyó a una importante iniciativa de IP que consistió en desarrollar una herramienta basada en el conocimiento del comportamiento teórico del puente y la respuesta real frente a acciones reales actuales y futuras estimadas, permitiendo un mantenimiento optimizado. La presente validación concluyó que una implementación de las herramientas FORESEE seleccionadas podría aumentar la resiliencia de la infraestructura carretera-ferrocarril (puente) y que una implementación real podría ser claramente beneficiosa en términos de nivel de servicio.

Difusión e Impacto

Para garantizar que el proyecto abordaba las preocupaciones críticas del sector y que se producían soluciones innovadoras y orientadas al sector, se creó un Stakeholders Reference Group (SRG). Entre los miembros del SRG figuraban propietarios y operadores de infraestructuras, círculos académicos, asociaciones de usuarios del transporte y operadores logísticos. Además de los participantes locales, se contó con la participación en las reuniones del SRG de organizaciones internacionales, como la Plataforma Tecnológica Europea ALICE, la Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC) y la Asociación Mundial de la Carretera (AIPCR). El Grupo se fue ampliando a medida que el proyecto evolucionaba y se desarrollaban resultados explotables. El SRG también incorporó socios de Estados Unidos. La inclusión de las principales partes interesadas en el mercado perseguía dos objetivos: garantizar la retroalimentación técnica, y dar a conocer el conjunto de herramientas FORESEE en el sector de las infraestructuras de transporte. Se celebraron 8 eventos y un workshop, un taller, final para contrastar los resultados del proyecto validados en los 6 casos de estudio explicados en el punto anterior.

Flujo para validación de herramientas en Caso de Estudio #5

De forma resumida se puede decir que se generó una red activa que incluía 92 organizaciones y 243 miembros que operan en 30 países de todo el mundo.

A finales de 2021 se alcanzó un hito importante ya que el consorcio consiguió la prenormalización de la guía CEN/CLC/WS 018 “Assessment of the resilience of transport infrastructure to potentially disruptive events” (CEN-CENELEC, 2021).

Gestores y operadores siguen sin ser conscientes de la capacidad de recuperación que se les debe exigir a las infraestructuras del transporte

Conclusiones

El proyecto FORESEE de H2020 ha contribuido a la priorización de los fenómenos meteorológicos extremos (principalmente inundaciones y lluvias torrenciales, nieve y viento), los corrimientos de tierras, los terremotos y los peligros de origen humano (intencionados y accidentales), abordando su impacto en los activos de transporte (puentes, túneles, pavimentos, taludes, terminales), en los ciudadanos y en el transporte de mercancías, así como los efectos en cascada que afectan al sistema de transporte (principalmente por carretera, ferrocarril, multimodal y centros de transporte).

En general, los gestores y operadores de infraestructuras siguen sin ser conscientes de la capacidad de recuperación que se les debe exigir a las infraestructuras del transporte, que al fin y al cabo son infraestructuras críticas.

La fuerte difusión de los resultados del proyecto y, en particular, el aprovechamiento de los casos de estudio, garantizaron que el sector de las infraestructuras de transporte comprendiera mejor los costes y beneficios asociados a las inversiones en resiliencia. La integración de los planes de resiliencia en los planes de ciclo de vida de las infraestructuras y unas metodologías de evaluación fiables, validadas por los usuarios finales, fueron fundamentales para lograr una mejor comprensión del impacto de los desarrollos técnicos conseguidos.

Imagen de la M-30 de Madrid inundada.
Puente 25 de abril en Lisboa (Portugal).

Referencias

1

Hughes, JF., Healy, K. (2014). Measuring the resilience of transport infrastructure. NZ Transport Agency Research Report 546. 82 p.

2

Baylis, J. et al. (2015). Transportation Sector Resilience. Final Report and Recommendations. National Infrastructure Advisory Council.

3

Rytter, A. (1993). Vibrational Based Inspection of Civil Engineering Structures. Fracture and Dynamics Vol. R9314 No. 44. Dept. of Building Technology and Structural Engineering, Aalborg University.

4

Fernández-Navamuel, A. et al. (2022a). Supervised Deep Learning with Finite Element simulations for damage identification in bridges. Engineering Structures,Volume 257. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.114016.

5

Fernández-Navamuel A, et al. (2022b). Deep learning enhanced principal component analysis for structural health monitoring. Structural Health Monitoring. 21(4):1710-1722. https://doi.org/10.1177/14759217211041684

6

Jiménez Fernández, J. C. et al. (2022), 3D numerical simulation of slope-flexible system interaction using a mixed FEM-SPH model, Ain Shams Engineering Journal, 13(2), https://doi.org/10.1016/j.asej.2021.09.019.

7

Adey, B.T. et al. (2021) Estimating, and setting targets for, the resilience of transport infrastructure. Infrastructure Asset Management 8(4), 167-190, https://doi.org/10.1680/jinam.20.00011.

8

CEN-CENELEC (2021). Guidelines for the assessment of resilience of transport infrastructure to potentially disruptive events. CWA CEN-CENELEC Workshop Agreement.

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