Evaluación de Riesgos en Infraestructuras Civiles

Evaluación de Riesgos en Infraestructuras Civiles

Evaluación de Riesgos en Infraestructuras Civiles

Existe un amplio conjunto de conocimientos sobre la evaluación de riesgos, y en esta sección se resumen algunos estudios recientes relativos a la gestión de infraestructuras.

Peligros y Riesgos

Peligros naturales

Los efectos de los peligros naturales en las infraestructuras civiles fueron testigos de muchas aplicaciones y del uso de prácticas basadas en el riesgo. Por ejemplo, algunos investigadores revisaron las prácticas de evacuación por huracanes y la investigación desde la perspectiva de la ingeniería del transporte, basándose en un estudio de los planes y prácticas de evacuación estatales realizado en la Universidad Estatal de Luisiana y en un estudio de las revisiones de la literatura y los proyectos de investigación en curso. La atención se centró en las políticas y prácticas de evacuación por parte de los estados utilizan en las áreas de planificación del sistema de transporte, la preparación y la respuesta y la aplicación y gestión de técnicas y sistemas de evacuación nuevos e innovadores, incluyendo el uso de las operaciones de tráfico de contraflujo y la aplicación de los sistemas de transporte inteligentes relacionados con las tecnologías y técnicas.

Las principales conclusiones sobre las políticas y prácticas de planificación, preparación y respuesta del sistema de transporte son las siguientes (1) Los diferentes estados utilizan varios tipos de órdenes de evacuación, y los tres tipos principales son las evacuaciones obligatorias, recomendadas y voluntarias. Los gobernadores generalmente mantienen la autoridad para emitir órdenes de evacuación, pero en la mayoría de los estados, esa autoridad ha sido delegada a los funcionarios locales. En general, la planificación de la evacuación y la toma de decisiones se producen a nivel local. (2) La mayoría de los estados utilizan una combinación de diferentes campañas de concienciación pública y tipos de medios de comunicación a lo largo del año para aumentar el nivel general de preparación para huracanes y evacuaciones. (3) Los signos alentadores de la mejora de las evacuaciones por huracanes en los Estados Unidos y la mayor participación de los planificadores e ingenieros de transporte han aportado conocimientos y experiencia en el tratamiento de las cuestiones relacionadas con el transporte, incluida la previsión de la demanda de viajes de evacuación, el análisis y la modelización del tráfico de evacuación, y la aplicación de las tecnologías de los sistemas inteligentes de transporte (ITS). (4) Sigue siendo necesaria una mayor educación y un mayor intercambio de información, y muchas agencias federales y organizaciones nacionales están tratando activamente de llenar este vacío. (5) El desarrollo de normas y las directrices de mejores prácticas en este ámbito son necesarias para beneficiar a los funcionarios de los departamentos de transporte y de gestión de emergencias a nivel estatal y local y para garantizar un nivel básico de uniformidad de prácticas de un lugar a otro.

Las principales conclusiones que abordan las políticas y prácticas desde la perspectiva de las operaciones, la gestión y el control del tráfico de evacuación incluyen (1) El uso planificado de operaciones de autopistas de contraflujo ha sido la innovación más significativa porque la capacidad de las rutas de evacuación existentes no puede acomodar la enorme demanda asociada con la evacuación de muchos centros de población medianos y grandes. Pero tiene muchas dificultades inherentes y plantea retos que requieren una comunicación eficaz y una estrecha cooperación entre todas las partes interesadas. (2) Es imprescindible que los organismos de gestión de emergencias dispongan de información fiable y actualizada sobre el tráfico y las condiciones meteorológicas para coordinar las evacuaciones a nivel estratégico. Dado que el volumen de datos aumenta con las últimas tecnologías, es necesario disponer de herramientas de gestión de datos para apoyar eficazmente las decisiones de evacuación. (3) Otra necesidad crítica para los organismos de gestión de emergencias es la capacidad de difundir información de viaje oportuna, precisa y útil a los evacuados. (4) Debido al impacto que las actividades de construcción pueden tener en la evacuación efectiva, las agencias de transporte deben revisar los esfuerzos de mitigación de riesgos apropiados para mantener la capacidad total en caso de que sea necesaria una evacuación y también tener procedimientos establecidos para informar a las agencias de gestión de emergencias de los planes y calendarios de construcción. (5) Se están llevando a cabo nuevos proyectos de investigación y desarrollo para resolver algunos de los problemas relacionados con la evacuación. Entre ellos se encuentran las evaluaciones de las directrices espacio-temporales para el inicio y el fin del contraflujo, las simulaciones de las operaciones de tráfico a lo largo de los segmentos de evacuación del contraflujo, y la medición y el análisis de las corrientes de tráfico del contraflujo, etc.

Los diseños basados en el riesgo también se utilizaron en la ingeniería antisísmica. Muchos propietarios de infraestructuras de carreteras suelen utilizar el Manual de Reacondicionamiento Sísmico para Puentes de Carretera (Buckle y Friedland 1995). Este manual estipula que, en el caso de los puentes situados cerca de taludes inestables, deben realizarse investigaciones geotécnicas detalladas para evaluar el potencial de inestabilidad de los taludes bajo excitaciones sísmicas. Esta tarea requiere investigaciones detalladas y recursos considerables para su realización. Según Zatar et al. (2008), en la actualidad existe un interés por realizar una evaluación minuciosa de los taludes más críticos a lo largo de las rutas prioritarias, y no existe una metodología tan completa para identificar y priorizar los taludes de las autopistas susceptibles de sufrir un fallo sísmico. Por lo tanto, desarrollaron una metodología basada en la capacidad de estabilidad sísmica de los taludes en relación con la demanda, el desplazamiento anticipado del terraplén y el potencial de licuefacción obtenido para cada uno de los sitios de los terraplenes. La categorización (A, B o C) para identificar el riesgo de fallo del comportamiento del terraplén durante un evento sísmico específico se basa en la importancia de estos tres parámetros.

Zatar y Harik (2008) aplicaron esta metodología a 127 terraplenes de puentes en una ruta prioritaria en el oeste de Kentucky e investigaron las vulnerabilidades sísmicas resultantes durante eventos sísmicos proyectados de 50, 250 y 500 años.

Muchos investigadores de estudios de vulnerabilidad sísmica y evaluación de riesgos de infraestructuras han utilizado el análisis de fragilidad. La fragilidad describe la probabilidad de fallo en función de la demanda. Celik y Ellingwood (2009) estudiaron el comportamiento de los pórticos de hormigón armado en el centro y el este de Estados Unidos (CEUS) cuando se someten a terremotos que se consideran plausibles en la zona sísmica de Nuevo Madrid. Derivaron las fragilidades sísmicas para pórticos de hormigón armado diseñados con cargas de gravedad de baja, media y alta altura utilizando el análisis de fiabilidad basado en la simulación y utilizaron estos datos para evaluar la vulnerabilidad sísmica del inventario de pórticos de hormigón armado en Memphis, Tennessee, basándose en los objetivos de diseño basados en el rendimiento de la Agencia Federal de Gestión de Emergencias (FEMA) 450 (2003). Utilizando estos resultados, concluyeron que es poco probable que la mayoría de los marcos existentes diseñados antes de las prácticas de diseño de 1990 cumplan con los objetivos de rendimiento de seguridad de la vida y prevención de colapsos defendidos por los códigos de construcción prevalentes y las directrices para la ingeniería sísmica basada en el rendimiento.

Peligros de origen humano
La evaluación del riesgo de los peligros provocados por el hombre ha sido objeto de un gran número de trabajos, especialmente en las últimas décadas. Las series de gestión de riesgos, elaboradas por la FEMA y el DHS de EE.UU., contienen varios documentos de evaluación de riesgos para valorar los peligros de origen humano y natural (véase FEMA 2005, 2010; DHS 2011a, 2011b, 2011c). Utilizamos las metodologías del DHS (2011a, 2011b) como base de los casos prácticos 3.1 y 3.2.

Riesgos de inundación y socavación
Niezgoda y Johnson (2007) desarrollaron un método de dos pasos para incorporar la incertidumbre y el riesgo en el diseño de restauración de arroyos como una combinación de modos de fallo de diseño, análisis de efectos (DFMEA) y cuantificación del riesgo. Aplicaron su procedimiento a un proyecto de reubicación de un arroyo en Pensilvania. El DFMEA es una metodología destinada a garantizar que todas las deficiencias del diseño han sido identificadas y abordadas a través del análisis de todos los componentes de un diseño en términos de la consecuencia de un fallo, la probabilidad de un fallo del componente y el nivel de dificultad requerido para detectar el fallo antes de que se inicie el proyecto. Esta información puede aplicarse a la terminología de costes sumando el coste inicial del proyecto (incluyendo la evaluación, el diseño y la construcción) y la suma del producto de la probabilidad de fallo de cada componente y la consecuencia del fallo de ese componente (en términos de costes de reparación, sustitución y daños).

El papel de la subjetividad en la aplicación del DFMEA se abordó evaluando no sólo el riesgo relativo, sino también la variación potencial de los resultados cuando un grupo de interesados con conocimientos completa el DFMEA.

Gonzalo et al. (2012) señalan que, dado que los caudales altos ocurren con relativa poca frecuencia, los caudales bajos tendrán un peso excesivo en la estimación de los parámetros, lo que lleva a que los parámetros del modelo se comporten bien en condiciones de caudales bajos pero no en caudales altos. Una posible solución a este problema es utilizar dos simulaciones diferentes, una calibrada para caudales altos y otra calibrada para caudales bajos (Oudin et al. 2006). Por lo tanto, revisaron el modelo hidrológico global que se utiliza actualmente para los sistemas de alerta de inundaciones en Costa Rica y luego propusieron un modelo hidrológico ad hoc para predecir la respuesta hidrológica de las cuencas montañosas de tamaño medio con tiempos de retardo cortos, proporcionando así predicciones más precisas de la magnitud, la llegada y la duración de las inundaciones. Se esperaba que el enfoque de modelización cumpliera con una precisión temporal razonable por debajo del nivel horario para ser adecuado para analizar las crecidas repentinas que se producen en las cuencas con tiempos de retardo cortos.

La preservación de las estructuras con valor histórico o patrimonial es un tema importante, y a menudo muchas metodologías de evaluación de riesgos no cubren las cuestiones históricas y patrimoniales. Holický y Sýkora (2010) señalan que las directrices de evaluación de riesgos publicadas por la Organización de las Naciones Unidas para el Socorro en Casos de Desastre en relación con las catástrofes naturales (UNESCO-UNDRO 1979) y la Directiva europea 2007/60/CE (2007) no incluyen las cuestiones relativas al patrimonio cultural (Drdácký et al. 2007). Dado que la evaluación del valor del patrimonio cultural en términos monetarios es difícil (Canuti et al. 2000), los autores afirman que las evaluaciones de riesgo de estos bienes se basan normalmente en una combinación de criterios cuantitativos y cualitativos en la que las probabilidades de que se produzcan acontecimientos desfavorables y las consecuencias previstas se evalúan en matrices de clasificación de riesgos. Observando los daños sufridos por los sitios del patrimonio cultural durante las inundaciones fluviales de agosto de 2002 en la República Checa, los investigadores propusieron un marco general de evaluación de riesgos utilizando métodos probabilísticos y una red bayesiana (BN) simplificada, que requiere un modelo teórico adecuado para predecir los caudales y el alcance de futuras inundaciones. Los autores analizaron estadísticamente los datos hidrológicos de los caudales máximos anuales del río Moldava en Praga que se remontan a 1827 y estimaron los caudales extremos, para diferentes periodos de retorno (de 10 a 1.000 años), necesarios para evaluar el riesgo de inundación de los lugares en peligro y tomar decisiones sobre las medidas de protección.

Ingeniería geotécnica
Las aplicaciones geotécnicas basadas en el riesgo también fueron testigos de numerosos usos de las prácticas relacionadas con el riesgo. Baker y Faber (2008) sostienen que las evaluaciones de activación de la licuefacción realizadas para ubicaciones individuales proporcionan poca información sobre la extensión espacial esperada de los eventos de licuefacción y propusieron un método para cuantificar la extensión potencial de la licuefacción teniendo en cuenta la dependencia espacial de las propiedades del suelo y las posibles sacudidas sísmicas futuras. Para producir evaluaciones informativas de la extensión potencial de la licuefacción, combinaron las herramientas geotécnicas disponibles para modelar la ocurrencia de licuefacción, las herramientas geoestadísticas para modelar las propiedades inciertas del suelo y los modelos probabilísticos de riesgo sísmico para calcular la distribución de la intensidad de las futuras sacudidas del terreno. Mediante un ejemplo, ilustraron su enfoque y demostraron su uso. Utilizando su metodología, se pueden calcular las tasas anuales de licuefacción de manera que los proyectos puedan diseñarse con niveles de riesgo uniformes y se pueda caracterizar la extensión de la zona licuada bajo un edificio teniendo en cuenta la dependencia espacial de las propiedades del suelo. Según los autores, la estimación de las distribuciones de probabilidad necesarias para las propiedades del suelo en un lugar determinado es probablemente el mayor reto para la aplicación de este enfoque.

Li et al. (2010) presentan una metodología de evaluación cuantitativa de riesgos para evaluar el riesgo de los proyectos de taludes cortados en construcción, aplicaron la metodología a una situación real y luego compararon los resultados para sacar conclusiones relevantes para dichos proyectos. La metodología propuesta incluía la identificación del peligro, el análisis probabilístico, el análisis de las consecuencias y el cálculo del riesgo. Teniendo en cuenta que la fiabilidad de los taludes cortados suele ser mayor cerca de la finalización del proyecto que durante las fases iniciales del mismo, se analizó la probabilidad de ocurrencia de desprendimientos y las correspondientes consecuencias en cada etapa de la construcción para identificar un escenario crítico. Las incertidumbres de los parámetros de resistencia del suelo y de la roca se tuvieron en cuenta mediante el método de simulación Monte Carlo en este estudio. La probabilidad de desprendimiento se estimó en la etapa de construcción más peligrosa. El análisis de las consecuencias implicó la identificación de la magnitud del desprendimiento, la estimación del área potencialmente impactada, la identificación de los elementos expuestos en el área impactada y la estimación del tiempo extra debido al desprendimiento. El riesgo se calculó integrando el análisis de probabilidades y consecuencias mediante la probabilidad de ocurrencia del evento de deslizamiento, la probabilidad temporal de que el deslizamiento se produzca en diferentes intervalos de tiempo, la probabilidad de impacto espacial y la vulnerabilidad individual dado el impacto espacial.

Esta metodología se aplicó en un gran proyecto de corte de ladera en el que se produjo un desprendimiento de tierras que causó dos muertos, cuatro desaparecidos, varios heridos y la destrucción total de las estructuras de protección. Según los autores, este método resultó eficaz y razonablemente preciso, pero la extensión temporal prevista y la pérdida económica por el coste dependiente del tiempo fueron significativamente menores que los valores reales. También llegaron a la conclusión de que la prolongación del tiempo era difícil de estimar porque tanto la magnitud del desprendimiento como los factores humanos influyen en ella.

Cada vez se considera más la posibilidad de reutilizar los materiales en lugar de eliminarlos en la gestión de los sedimentos contaminados dragados en los puertos. Ndiba y Axe (2010) examinaron el riesgo de lixiviación de metales a las aguas subterráneas en la reutilización de sedimentos fosfatados y tratados térmicamente. Su evaluación de riesgos mostró que los sedimentos tratados con fosfato y térmicamente tienen potencial para su reutilización en la construcción, en función de los metales estudiados.

Plataformas marinas e ingeniería costera
Las plataformas marinas, al igual que otras infraestructuras, también están envejeciendo y requieren la aplicación de la gestión de riesgos por parte de los propietarios y los reguladores. Staneff et al. (1995) presentaron el Sistema de Gestión de Información de Plataformas Costeras de California (CA IMS), una implementación de software del primer nivel de un sistema de selección para la reevaluación y recalificación de plataformas marinas, como los que propusieron Bea y Craig (1993) y Aggarwal (1991). El software incorpora rutinas simplificadas de evaluación de la integridad estructural, de las consecuencias de los fallos y de los riesgos, así como la gestión de los datos de la plataforma y un mecanismo avanzado de datos ambientales probabilísticos. El procedimiento de evaluación de la fiabilidad estructural se emplea introduciendo un modelo de factor de puntuación cualitativo conocido como coeficiente de resistencia de reserva (RSR), que se obtiene dividiendo la capacidad de carga lateral última de la estructura por su carga lateral de diseño o de referencia, y luego se relaciona con la probabilidad de fallo. Se obtiene una evaluación cualitativa de las consecuencias, que se convierte en un valor numérico y se integra en una medida combinada de las consecuencias, determinada mediante funciones de utilidad que expresan la aversión al riesgo del usuario. La probabilidad de fallo y las consecuencias se relacionan y se trazan líneas aceptables y marginales aceptables en un formato gráfico. Esto se utiliza para decidir si una plataforma offshore se considera aceptable o no (es decir, apta para el propósito o no).

Los estudios de investigación sobre estimaciones de fiabilidad estructural empezaron a ganar popularidad a principios de los años 90. Tromans y Graaf (1994) esbozaron un modelo/aplicación de fiabilidad estructural basado en Bea (1974) y Anderson et al. (1982) y aplicaron esta metodología a una estructura de camisa de acero que experimentó una carga severa de huracán sin daños estructurales para calcular el riesgo de fallo durante ese huracán y también la fiabilidad a largo plazo.

El análisis comenzó con la base de datos hindcast de condiciones meteorológicas-oceanográficas para una combinación representativa de condiciones ambientales extremas para generar un conjunto de casos base. En el análisis pushover, este conjunto de cargas se incrementa progresivamente para obtener la secuencia de colapso de la estructura y su capacidad última. El análisis de colapso se repite para varias direcciones con el fin de producir una superficie de fallo para la estructura, incluyendo la incertidumbre en la resistencia al colapso. Utilizando el hindcast, se estudia la respuesta extrema de una estructura genérica para obtener la probabilidad de fallo comparando la distribución de la carga extrema con la distribución de la resistencia definida por la superficie de fallo.

Ingeniería de puentes
La evaluación de la seguridad y la estabilidad de los puentes, con cimientos desconocidos sobre el agua, para garantizar la seguridad y la movilidad ininterrumpida después de un gran evento hidráulico, como una inundación o un evento sísmico, no es fácil, y requiere un considerable juicio de ingeniería apoyado en la experiencia previa. Para ayudar a los ingenieros en este tipo de situaciones, Zayed et al. (2007) desarrollaron un modelo para evaluar los factores de riesgo de los puentes con cimentación desconocida y para evaluar y priorizar varios cursos de acción para gestionar estos puentes. Estos investigadores propusieron un índice de riesgo (R) basado en los factores que afectan al riesgo físico. Estos factores se dividieron en tres grandes parámetros de riesgo: vida útil restante, socavación y vulnerabilidad sísmica, y cada uno de ellos comprende varios factores. El índice de riesgo se desarrolló principalmente para transferir la subjetividad de los parámetros de riesgo a valores determinados cuantitativamente mediante el proceso de jerarquía analítica (AHP) de Saaty (1980). Por tanto, el índice de riesgo era una suma del producto del peso de cada factor junto con su puntuación de valor (Zayed y Chang 2002; Zayed y Halpin 2004). Las ponderaciones de los parámetros de riesgo se determinaron mediante el AHP, y la puntuación de valor se evaluó mediante el enfoque de la función de utilidad. Si un puente tiene un R bajo (0-0,2), se recomendaron investigaciones rutinarias o menores, investigaciones avanzadas u opciones de rehabilitación y/o sustitución mayores para un riesgo alto (R > 0,6), y cursos de acción intermedios para un valor intermedio de R (0,3-0,6).

Los valores R se estimaron, como parte de un estudio de casos, para diez puentes de Florida, Indiana y Nueva York, utilizando tanto un modelo abstracto como un modelo detallado para decidir los cursos de acción apropiados. El modelo se validó mediante un método de evaluación holístico. Los ingenieros de puentes evaluaron de forma holística cada puente del estudio de diez puentes en una escala de 0,00 a 1,00, utilizando su experiencia, su conocimiento de los puentes individuales y las aportaciones de los equipos de inspección para desarrollar sus propios diagnósticos y cursos de acción. Estas decisiones se compararon con las recomendaciones formuladas por el modelo y se comprobó que coincidían.

Ingeniería de la construcción

Debido a los acuerdos comerciales, como el Tratado de Libre Comercio de América del Norte, la evolución de Europa y la Unión Soviética, y los avances tecnológicos, como Internet, han revolucionado la economía mundial y las formas de hacer negocios. Esto también significa que las oportunidades para las empresas, incluidas las de A/E/C (empresas de arquitectura, ingeniería y construcción), para competir a nivel mundial. Esto hace que la evaluación del riesgo sea muy importante a varios niveles; es decir, en primer lugar la empresa tiene que decidir si hay potencial para expandirse y hacer negocios a corto y largo plazo en otros países, analizar los mercados apropiados y asegurarse de que pueden entregar los proyectos. Hastak y Shaked (2000) afirman que la mayoría de los modelos actuales se centran predominantemente en el riesgo político o la inestabilidad, no son exhaustivos y no abordan los riesgos a nivel de proyecto. Por ello, presentan un modelo de evaluación del riesgo, el Modelo de Evaluación del Riesgo en la Construcción Internacional (ICRAM-1), para ayudar a las empresas a evaluar el riesgo potencial que supone la expansión de las operaciones en un mercado internacional, analizando el riesgo a nivel macro (o del entorno del país), del mercado y del proyecto. Definen el nivel macro como el riesgo general que corre un inversor internacional al ampliar sus operaciones en un país determinado, el nivel de mercado como el riesgo asociado a un mercado internacional de la construcción específico, y el nivel de proyecto como el riesgo asociado a un proyecto en ese mercado internacional de la construcción específico. Para considerar la interacción entre estos tres niveles, el nivel de mercado incluye también el impacto del nivel macro en el mercado de la construcción y el nivel de proyecto incluye el impacto de los niveles macro y de mercado en el proyecto.

El ICRAM-1 analiza 73 indicadores de riesgo en los tres niveles interrelacionados mencionados, contiene un módulo de evaluación de riesgos para cada nivel y utiliza el AHP para analizar la jerarquía de los indicadores de riesgo dentro de cada nivel y para determinar la importancia relativa de los indicadores de riesgo estableciendo la prioridad entre los criterios, subcriterios e indicadores. También tiene en cuenta la transferencia de riesgo entre estos niveles. A partir del modelo se pueden obtener indicadores de alto riesgo (basados en el riesgo ponderado por el umbral para cada uno de los tres niveles), el impacto del entorno del país en un proyecto específico, el impacto del entorno del mercado en un proyecto específico y el riesgo global del proyecto.

Los autores también señalan que el ICRAM-1 puede utilizarse para analizar diferentes países con respecto a un proyecto específico y para comparar diferentes tipos de proyectos en un país concreto. Utilizar el modelo varias veces a lo largo de un periodo determinado también puede facilitar el seguimiento del riesgo asociado a un país concreto con respecto a los niveles macro, de mercado y de proyecto. Hay que tener en cuenta que los datos introducidos en el ICRAM-1 son muy subjetivos y la confianza en los resultados depende de la información disponible y de la fiabilidad de las fuentes.

Para la construcción subterránea, Choi et al. (2004) desarrollaron un software de evaluación de riesgos que utiliza un procedimiento de valoración para identificar, analizar, evaluar y gestionar los riesgos inherentes a los proyectos de construcción subterránea. Basándose en estudios anteriores (Zadeh 1965; Hadipriono et al. 1986; Fujino 1994; Huang et al. 2001) sobre la técnica de análisis del árbol par difuso, integraron tres posibles enfoques: (1) Cuando los datos históricos son suficientes y están disponibles, la probabilidad de cada riesgo en las posibles vías de fallo puede evaluarse mediante un simple análisis de frecuencia. (2) Si los datos son insuficientes, se utilizan como métodos de evaluación teorías de probabilidad como la simulación de Montecarlo o el enfoque bayesiano; es decir, los datos insuficientes se complementan con datos simulados o actualizados. (3) Si los datos no están disponibles, la probabilidad de ocurrencia de cada camino puede tener que ser evaluada por juicios subjetivos basados en las experiencias y conocimientos de los expertos. El modelo de incertidumbre también se diseñó para tener en cuenta las incertidumbres que conllevan tanto las estimaciones probabilísticas de los parámetros como los juicios subjetivos. Los autores aplicaron la metodología y el software propuestos al proyecto de construcción de la sexta línea de metro en Seúl, que sufrió muchos accidentes durante la construcción, y concluyeron que su metodología proporciona soluciones racionales y prácticas a las compañías de seguros y a los contratistas gracias a su flexibilidad, su procedimiento y herramientas fáciles de seguir y su sólida capacidad de modelización de la incertidumbre.

Riesgo medioambiental
Las aplicaciones de las técnicas basadas en el riesgo en la ingeniería medioambiental abundan. Por ejemplo, los sistemas de información geográfica (SIG) se utilizan habitualmente para la representación y el análisis de datos espaciales. Estas herramientas eran relativamente nuevas a principios de este siglo. En aquel momento, se esperaba que los gestores de riesgos exigieran el acceso a herramientas de apoyo a la toma de decisiones basadas en los SIG que les permitieran gestionar y comprender la complicada naturaleza de una catástrofe (Zerger y Smith 2003). Ahora esto es una realidad y los SIG se utilizan ampliamente para la evaluación y mitigación de riesgos en la gestión de catástrofes. Samadder y Subbarao (2007) analizaron los efectos sobre la salud de la contaminación por arsénico del agua potable en seis bloques administrativos de la parte central del distrito de Murshidabad (Bengala Occidental, India) utilizando el SIG, e informaron del impacto regional de la contaminación por arsénico con la intención de ayudar a planificar y aplicar opciones de mitigación del arsénico basadas en prioridades.

Riesgos urbanos
Las tuberías de agua son una parte integral de la infraestructura para mantener la calidad de vida. Grigg (2013) señala que el reemplazo para mantener la integridad de las tuberías de agua en los Estados Unidos está en un ciclo de aproximadamente una vez cada 200 años, una tasa lenta que contribuye a la calificación actual de D- en el Informe de Infraestructura (ASCE 2013). El principal indicador de la integridad física es la frecuencia de las roturas de las tuberías de agua, pero reducirlas es difícil debido a la complejidad y la escala del problema y a la falta de incentivos para la sustitución de las tuberías. Grigg (2013) revisó la investigación actual para explicar la base de conocimientos sobre las roturas de tuberías, la medida en que son un problema grave que merece más atención, la formulación de riesgos del proceso de decisión para la sustitución de tuberías, las tasas actuales de renovación y las razones por las que las empresas de servicios públicos renuevan las tuberías a un ritmo bajo.

Según Grigg, basándose en estudios de las grandes empresas de servicios públicos y en estimaciones conservadoras, en Estados Unidos se producen entre 250.000 y 300.000 roturas al año debido a fallos como roturas estructurales, fallos en las juntas, pinchazos o fallos corrosivos en las paredes, con un coste medio estimado de 500.000 dólares por una rotura de tubería grande. El autor propuso un marco general para la evaluación de los riesgos teniendo en cuenta la probabilidad de fallo y las consecuencias y considerando cómo las tuberías están expuestas a las amenazas que pueden causar una rotura que provoque una inundación y pueda provocar otros daños.

También señalan que el programa de sustitución de los servicios públicos no se basa únicamente en la evaluación de riesgos, sino en otras razones, como la obtención de eficiencia o la coordinación de la sustitución para aprovechar la de otras infraestructuras. Dados los problemas de recursos, señalan que para reducir la tasa de fallos a largo plazo, las soluciones a los problemas físicos, financieros e institucionales de las redes de distribución de agua seguirán requiriendo un liderazgo profesional y político ilustrado y comprometido.

Los sistemas de distribución de agua (WDS) están diseñados para suministrar suficiente agua a los usuarios habituales, así como para condiciones de emergencia, como los incendios urbanos, con la presión, el volumen y la calidad requeridos. Dado que los incendios pueden estar asociados a un terremoto, a un deterioro o a un peligro provocado por el hombre, es muy importante tener en cuenta esta interacción en la evaluación de riesgos de los WDS para planificar los esfuerzos de mitigación adecuados, si es necesario. Kanta y Brumbelow (2013) desarrollaron una metodología para examinar la vulnerabilidad y el riesgo de los WDS durante los eventos de incendios urbanos considerando la interacción de los peligros. Consideraron tres modos de fallo para examinar la vulnerabilidad y el riesgo de un sistema de distribución de agua durante los incendios: (1) fallo accidental de las tuberías debido a la interacción suelo-tubería, (2) fallo accidental de las tuberías debido a un evento sísmico, y (3) acción malévola que resulta en el fallo de la tubería. Se consideró un problema de optimización, que maximiza el riesgo del sistema durante un evento de incendio urbano concurrente con el fallo o la interrupción de componentes específicos del sistema. La solución óptima del problema se consigue interconectando un algoritmo de optimización de programación dinámica (PD) con un modelo de simulación hidráulica, EPANET 2.0. El modelo de simulación hidráulica se utiliza para resolver la hidráulica del WDS y evaluar la función objetivo en cada iteración. El método se aplicó a un estudio de caso para mostrar la viabilidad del método en la integración de la vulnerabilidad y el riesgo y para demostrar y evaluar la infraestructura existente y las posibles alternativas de mitigación. Los investigadores, basándose en un estudio de caso, concluyen que los gestores de infraestructuras deben evaluar las múltiples fuentes de riesgo que se utilizan para determinar la importancia relativa de cada fuente de riesgo. Los riesgos relativos derivados de la metodología pueden justificar que se centren en los modos de fallo accidentales y en los métodos de mitigación adecuados. Kanta y Brumbelow (2013) también han demostrado que la lejanía topológica de las regiones con una pronunciada exposición a determinados modos de fallo otorga cierta medida de sensibilidad reducida a esos modos; la metodología permite determinar cuantitativamente esta correlación lejanía-insensibilidad.

Wang et al. (2013) presentan los métodos y procedimientos de evaluación del riesgo de rotura de tuberías junto con un modo de muestra aplicado a un sistema de red de tuberías de la ciudad china para los ejemplos de clasificación del riesgo de rotura de tuberías. Para la evaluación del riesgo, la identificación de los aspectos primarios y secundarios es importante para un servicio óptimo, así como para la durabilidad. Teniendo esto en cuenta, los investigadores identifican los factores hidráulicos y no hidráulicos de las roturas de tuberías. Las roturas de tuberías pueden destruir la red de tuberías de una ciudad, provocando la interrupción del suministro de agua, la pérdida de vidas y bienes, así como problemas de calidad del agua. Por ello, se propuso una medida de mitigación mediante una evaluación del estado de riesgo de rotura de tuberías y una tecnología de clasificación para estimar el momento aproximado en que una tubería quedaba fuera de servicio, con el fin de formular un plan de mantenimiento de la red de tuberías con antelación para evitar que se produzcan roturas. A partir del análisis del flujo hidráulico transitorio, se predijeron cuatro factores de riesgo y se creó un mapa de clasificación de cuatro capas. Se creó un mapa de clasificación de la red para proporcionar apoyo técnico al diseño, la explotación y la gestión de las redes de abastecimiento de agua. La técnica propuesta es limitada en el sentido de que sólo funciona para la rotura de tuberías debida a transitorios hidráulicos.

La evaluación de riesgos en ingeniería civil

El resto de este texto comienza abordando varias cuestiones pertinentes relativas a la evaluación de riesgos en ingeniería civil. Aunque existen numerosos métodos analíticos de evaluación de riesgos, los promedios ponderados y las redes de grafos (GN) son los más adecuados para las aplicaciones de infraestructuras civiles. A continuación, ofrecemos varios estudios de casos para destacar el uso de estos métodos que implican una evaluación de riesgos tanto de activos individuales como de una comunidad de activos. Es importante analizar la evaluación de la resiliencia, que, según hemos argumentado antes, es una manifestación especial de la evaluación de riesgos.

Métodos de evaluación de riesgos y cuestiones conexas

Ingrediente esencial de la evaluación de riesgos
La evaluación de riesgos sirve para muchos objetivos dentro de cualquier esfuerzo de gestión de riesgos. Es la base de todos los demás componentes de la gestión. Como tal, la exactitud de una evaluación debe ser lo más detallada y precisa posible para representar situaciones reales en las que basar la toma de decisiones objetivas. Para lograr esa precisión, la naturaleza del riesgo y los componentes que contribuyen a él deben estar bien identificados y comprendidos (véase Cordona et al. 2012). El sistema considerado debe estar claramente identificado: por ejemplo, ¿es un componente, un activo completo o una red de activos? Hay que entender la métrica de la variable de riesgo: ¿es subjetiva u objetiva; es una instantánea en el tiempo o un ciclo de vida? Otra consideración importante es la necesidad, desde el principio, de identificar la necesidad y el objetivo de todo el esfuerzo de evaluación de riesgos.

Los evaluadores de riesgos deben identificar de antemano todas las incertidumbres, tanto explícitas como implícitas. En muchos casos, y en aras de la simplicidad, el rigor de los cálculos de incertidumbre puede quedar oculto. Sin embargo, esta incertidumbre en la que se basa el proceso de evaluación de riesgos debe ser tratada en consecuencia. Independientemente de que las métricas de riesgo en cuestión sean subjetivas u objetivas, hay que reconocer que las variables de cualquier modelo de riesgo pueden ser una mezcla entre variables subjetivas y objetivas. Las variables de los modelos de riesgo, especialmente los de la comunidad de infraestructuras civiles, están interrelacionadas en muchos casos. Modelar adecuadamente estos vínculos en el modelo de evaluación puede marcar la diferencia entre resultados útiles y erróneos. El riesgo implica resultados negativos, a veces expresados en términos monetarios como costes. En algunas situaciones en las que los modelos pueden formarse para evaluar las recompensas, en contraposición al riesgo, se producirán resultados positivos. En otros modelos, el riesgo y las recompensas pueden o deben incluirse en el mismo modelo.

Métodos de evaluación del riesgo (riesgo como función de variables aleatorias)
En la literatura existe un inmenso número de métodos y procesos, como se ha señalado en el apartado anterior, desarrollados a lo largo de los años para evaluar los riesgos asociados a la gestión de infraestructuras. Por ello, en esta sección, describiremos algunos de los géneros de métodos de evaluación de riesgos en lugar de entrar en los detalles de cada método. Podemos definir formalmente el riesgo en su forma más general como una función de tres funciones de variables aleatorias.

Las tres funciones, Xi, que también son variables aleatorias, pueden describirse como las consecuencias, C, las amenazas, T, y la vulnerabilidad, V, del sistema físico y/u operativo considerado.

Además, podemos, sin pérdida de generalidad, suponer que cada uno de los tres componentes básicos, C, T, y, V, son una función de varias variables necesarias para describir completamente Ri con el detalle que se desee. Estas variables pueden ser aleatorias o deterministas, según convenga. El proceso de evaluación del riesgo puede resumirse ahora en tres pasos:

  • Identificar las variables básicas de la ecuación 3.2, según proceda
  • Definir la función f( )
  • Resolver la ecuación mediante un proceso adecuado

A continuación, examinaremos los géneros de procesos de evaluación de riesgos que siguen los tres pasos básicos anteriores. Esencialmente, este método de evaluación del riesgo tiene como objetivo identificar la función f de la ecuación 3.2. A veces, en situaciones sencillas, es bastante sencillo definir las relaciones funcionales que subyacen al riesgo, Ri, con sus variables subyacentes. Varios autores han descrito este proceso con todo detalle. En situaciones en las que la formalización de la función es posible, pero su solución analítica no es alcanzable, se puede utilizar el proceso de Monte Carlo.

En el ámbito de las infraestructuras civiles, incluso para la aplicación más sencilla, la función f( ) puede ser complicada. El número de variables, así como la descripción de las relaciones funcionales entre las diferentes variables, son complejos y formales. Por lo tanto, los procesos y esfuerzos computacionales pueden aumentar rápidamente. Somos conscientes de la importancia teórica y educativa de este proceso; sin embargo, hemos decidido renunciar a discusiones adicionales y al uso de este enfoque en este libro para mantener nuestras presentaciones y discusiones de valor práctico para los lectores.

Medias ponderadas
Debido a su simplicidad, los métodos de medias ponderadas se utilizan en muchos campos de la evaluación de riesgos, incluidas las infraestructuras civiles. Los métodos pueden remontarse al método de la función de las variables aleatorias, así como al método GN. Algunos utiliza una versión combinada de los modelos de GN y de medias ponderadas para evaluar el riesgo y la resiliencia.

Métodos probabilísticos de construcción de árboles: FTA y ETA
Las construcciones de árbol, como el Análisis de Árbol de Fallas (FTA) y/o el Análisis de Árbol de Eventos (ETA), pueden mostrarse como subconjuntos de la GN. Fenton y Neil (2013) proporcionaron un razonamiento exhaustivo de por qué se prefiere el uso de la GN más general sobre el FTA o el ETA. Por ello, no los utilizaremos en los casos de estudio de este libro.

Redes gráficas
Las GN (también denominadas redes de grafos probabilísticos) son un proceso numérico que puede acomodar con precisión modelos de riesgo complejos con un gran número de variables, manteniendo un complejo conjunto de relaciones entre estas variables. Como la GN es probabilística desde el principio, puede modelar mejor las incertidumbres de esas variables y, por lo tanto, nos basamos en la modelización de la GN para el riesgo, así como en otras métricas a lo largo de este libro.

La evaluación de riesgos de las infraestructuras civiles debe tener en cuenta tanto las redes de activos como las individuales. Cuando el interesado se interesa por los riesgos en relación con multitud de activos civiles, que forman una red de activos (o comunidad), esas redes de activos* pueden estar vinculadas entre sí por un conjunto complejo o simple de enlaces o relaciones. La existencia de vínculos en cualquiera de las dos topologías también es una buena razón para utilizar la GN como método de evaluación, ya que la acomodación de los vínculos está integrada en los procesos de modelización y solución de la GN.

Combinación de riesgos

Las infraestructuras civiles son sistemas interconectados a muchas escalas. Quizás la escala más reconocida es la que podemos llamar la escala de un solo activo. En esta escala, podemos identificar activos de infraestructuras individuales como edificios, puentes, carreteras, túneles, etc. Cada uno de estos activos incluye, a una escala menor, diferentes componentes que están conectados entre sí para formar el activo único. Estos componentes pueden ser estructurales (como vigas, columnas, cubiertas o revestimientos de túneles) o funcionales (como tecnología de la información, sistemas de seguridad, sistemas de extinción de incendios o calefacción, ventilación y aire acondicionado HVAC). Además, deben incluirse los componentes operativos, como la formación y las operaciones de emergencia/preparación. Los activos individuales también pueden combinarse para formar una red de activos (o comunidad de activos). Nuestro interés inmediato es observar que cada uno de estos niveles puede tener su propio valor de riesgo. Por ejemplo, podemos evaluar el riesgo de seguridad, el riesgo de fallo de una viga estructural o el riesgo de mal funcionamiento de la climatización. También podemos combinar los riesgos de diferentes subcomponentes de un solo activo para definir un riesgo total de ese único activo combinando todos los riesgos de los subcomponentes pertinentes. A la inversa, si conocemos los riesgos de diferentes activos individuales en una comunidad de activos, podemos combinar todos esos riesgos para encontrar el riesgo total de la comunidad de activos.

Se utilizan varios métodos para combinar los componentes de riesgo de un sistema en el riesgo total del sistema. Por ejemplo, la comunidad financiera lleva mucho tiempo calculando el riesgo de la cartera de inversiones (riesgo total) a partir de los riesgos individuales de las inversiones que la componen. Existen dos métodos para calcular el riesgo total de un sistema a partir de los riesgos de sus subcomponentes:

– Métodos analíticos
– Métodos basados en la GN. Fenton y Neil (2013) informaron de una técnica ligeramente más compleja para combinar los riesgos y obtener un riesgo total. Su enfoque se basa en el uso de GN, donde los riesgos de los componentes, Ri|i, y el riesgo total, Ri|TOTAL, se conectaron juntos en una BN en forma de un modelo de enlace dirigido hijo-padre. Las relaciones entre los riesgos de los hijos (riesgos de los componentes) y el riesgo de los padres (riesgo total) pueden formalizarse mediante tablas de probabilidades condicionales (CPT). Este enfoque ofrece más flexibilidad que los métodos analíticos porque las CPT pueden asignarse para simular la preferencia de los usuarios o para simular cualquier observación o dato histórico disponible.

Estados límite y evaluación de riesgos

La gestión de las infraestructuras civiles se basa en gran medida en diferentes tipos de estados límite que proporcionan condiciones que separan las condiciones satisfactorias de las insatisfactorias. Por ello, cualquier proceso de gestión de riesgos debe estar vinculado a estos estados límite. Por supuesto, esto comienza con la evaluación de riesgos. A continuación exploraremos las relaciones entre los estados límite de diferentes tipos y su riesgo.

Estados límite objetivos
Los estados límite más reconocidos en el ámbito civil son los que describen el comportamiento estructural (o del material). El más obvio es el estado límite elástico (a veces denominado lineal). Los estados límite dúctiles son estados límite estructurales superiores. Los estados límite superiores son importantes en algunas situaciones de diseño para condiciones de explosiones y terremotos. En la literatura se ofrecen algunos estudios de casos relacionados con los estados límite superiores. Podemos describir algunos de estos estados límite como objetivos porque una gran cantidad de investigación objetiva los involucra.

Estados límite subjetivos
Ahora nos centramos en los estados límite subjetivos. A primera vista, los estados límite subjetivos no parecen ser posibles. Sin embargo, tras una reflexión más profunda, queda claro que los estados límite subjetivos son quizás un concepto tan frecuente y bien utilizado en las infraestructuras civiles como sus homólogos objetivos. Estos estados límite suelen estar relacionados con medidas subjetivas, como el lento deterioro observado en los componentes de la infraestructura, la vibración experimentada por los usuarios de la estructura, la deflexión de los puentes, etc., que no están directamente relacionadas con la integridad de las estructuras. Esencialmente, la mayoría de los estados límite de servicio utilizados en el ámbito de las infraestructuras pueden clasificarse como estados límite subjetivos. Esto incluye la vibración excesiva o los límites de deflexión utilizados en el diseño estructural para asegurarse de que los usuarios se sientan cómodos y las grietas permitidas que no afectan al rendimiento estructural. El límite de deflexión (span/800) utilizado en el diseño de puentes es un ejemplo de límite subjetivo. Los estados límite pueden describirse de forma subjetiva, por ejemplo, utilizando alto, medio y bajo, o pueden tener límites basados en una combinación de una escala subjetiva similar a las calificaciones de estado con el tipo de uso, por ejemplo, una combinación de calificaciones de estado y clasificación funcional de un puente.

Lo que hace que la consideración de los estados límite subjetivos sea de extremo interés es que evitan una de las principales limitaciones de los estados límite objetivos: los estados límite objetivos sólo pueden considerarse desde un punto de vista mecánico, es decir, una relación entre la demanda objetiva (fuerza, temperatura, etc.) y la respuesta objetiva (tensiones, desplazamientos, etc.). En general, esto da lugar a que el estado límite objetivo más bajo sea el límite elástico de los componentes y a que se limite el uso de estados límite inferiores para situaciones en las que los diseños o las decisiones se basan en estados límite que están por debajo del límite elástico. Esto es importante, ya que los diseños y las exigencias de las infraestructuras civiles suelen estar muy por debajo del límite elástico. Por ejemplo: las demandas de corrosión, pintura, desconchados, socavación y fatiga, así como las decisiones para mitigarlas, deberían estar todas muy por debajo del límite elástico de los componentes correspondientes. Por otro lado, las calificaciones de los puentes, si se consideran estados límite, pueden describir fácilmente y con precisión estados bien comprendidos, en los que existe una plétora de decisiones específicas y procesos de mitigación. Por ello, basamos nuestros estados límite objetivos basados en el riesgo en las calificaciones de las inspecciones.

Estados límite de exposición

A medida que avanza el tiempo, el índice de estado, CR, de un componente específico de la infraestructura disminuye, suponiendo que no se realicen acciones de reacondicionamiento o mantenimiento. Asumiendo una escala que va de 0 a 9, similar a la recomendada para las inspecciones de puentes por la Administración Federal de Carreteras (FHWA 1995), donde un CR de 9 indica una condición prístina y un CR de 0 indica una condición fallida, la calificación resultante en un tiempo t dado después de que la estructura/componente sea recién construida o reemplazada, es tal que 0 ≤ CR ≤ 9. Observamos que el CR es discreto y refleja el proceso de inspección y la estimación subjetiva del inspector basada en un criterio relativamente objetivo. Además, observamos que CR es la resultante de:

  • Demandas acumuladas en los componentes a partir del tiempo t. Estas demandas pueden ser la corrosión, la congelación/descongelación, el tráfico, la fatiga, etc.
  • La capacidad/respuesta de los componentes debido a las demandas acumulativas anteriores. Estos efectos también pueden considerarse como la inversa de la vulnerabilidad de los componentes a las demandas anteriores (mayor vulnerabilidad para una menor capacidad y menor vulnerabilidad para una mayor capacidad).
  • Congestión del tráfico.

Revisor de hechos: Clarck


Publicado

en

por

Etiquetas:

Comentarios

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *