Infraestructura sostenible para una mayor resiliencia climática

• Muchos sistemas de infraestructura estadounidenses, creados para las poblaciones y el clima de mediados del siglo XX, están hoy en declive.
• Después de que una importante inundación dejase inutilizable la autopista I-78 de Pensilvania, el Departamento de Transporte del estado ha intensificado sus esfuerzos por mitigar los daños que los fenómenos climáticos causan en las infraestructuras.
• Clave para la modernización de estas infraestructuras son las tecnologías digitales: flujos de trabajo basados en la nube, software predictivo, Autodesk AutoCAD, sistemas de mapeo GIS, sensores en las calzadas, construcción rápida, entrega digital de proyectos… Todos ellos pueden contribuir a una mejor respuesta a unos entornos en constante cambio.

El 4 de agosto de 2020, una fuerte tormenta barrió el condado de Lehigh, Pensilvania (EE. UU.),  descargando en el transcurso de ocho horas 18 centímetros de agua, que inundaron una sección baja y delimitada por hormigón de la autopista I-78. La microrráfaga —un tipo de tormenta de lluvia torrencial, repentina e intensa, cada vez más común en Estados Unidos— bloqueó los carriles en dirección este durante horas y provocó kilómetros de caravanas. El sistema de drenaje pluvial instalado bajo la autopista no pudo con todo. El impacto se extendió a comunidades adyacentes, que estuvieron inoperativas hasta que pudieron llevarse a cabo las reparaciones.

“Tenemos que pensar en cómo ser resilientes, porque si algo así vuelve a pasar y de repente nos llega una inundación de las que solo ocurren cada 500 o 1000 años, tenemos que ser capaces de gestionarlo —asevera Richard Runyen, ingeniero jefe de puentes y director de la Agencia de Puentes de la Oficina Central del Departamento de Transporte de Pensilvania (PennDOT), en Harrisburg—. No puede ser que por culpa de daños a las calzadas o a los puentes se cierre una interestatal durante tanto tiempo”.

El problema, por supuesto, no es solo cosa de Pensilvania, ni de los sistemas de drenaje pluvial. La infraestructura de todo el mundo está fallando. Desde presas y puentes que se desmoronan hasta vías férreas y túneles fracturados, muchos sistemas originalmente creados para las poblaciones y el clima de mediados del siglo XX distan mucho de encontrarse en buenas condiciones. Los Gobiernos de todo el mundo están pensando en cómo conseguir que estos sistemas se mantengan y sobrevivan durante los próximos 100 años. Solo en EE. UU., el Gobierno está invirtiendo 3,5 billones de dólares (PDF, p. 6) en paquetes de incentivos para “la infraestructura y las industrias del futuro, incluido el de la energías limpias”. El cambio climático está exacerbando deterioros tales como el derrumbe de puentes, la deformación de vías a causa del sol, interrupciones en las plantas de tratamiento de aguas y el colapso de carreteras. Las condiciones meteorológicas extremas están sembrando el caos entre infraestructuras y sistemas de transporte enteros.

Según Runyen, parte de la culpa del fallo de estos sistemas la tiene su antigüedad. En Estados Unidos, los proyectos construidos en los años 60 y 70 —lo que algunos llaman “la edad de oro de la infraestructura”— se apoyaban en modelos de diseño y estándares de construcción anticuados. Hoy en día, el estado de estos sistemas es tal que requieren mucho mantenimiento, cuando no hay que reemplazarlos directamente. Los diques de Estados Unidos tienen unos 50 años de media, y de los 220 000 puentes del país, más de 70 000 necesitan rehabilitación o reemplazo.

Según Louis Feagans, director ejecutivo de rendimiento de sistemas y políticas de transporte del Departamento de Transporte de Indiana (INDOT), el principal desafío es que en los últimos 50 años el mundo ha cambiado de forma drástica, y ahora es más difícil recaudar fondos para las agencias estatales, muchas de las cuales se las ven y desean para mantenerse al día con la evolución de las tecnologías y las necesidades de las infraestructuras. Estas carreteras, autopistas y puentes se construyeron en unos tiempos en que los combustibles fósiles eran la norma, los coches y camiones consumían mucho menos —y estos últimos transportaban menos carga—, circulaban menos vehículos, llovía menos y las temperaturas eran menos elevadas.

Urge actualizar los sistemas de infraestructura de forma sostenible y teniendo en cuenta el impacto del clima. “No solo para solucionar el problema —apunta Runyen—, sino también para asegurarnos de que lo que hacemos es añadir años de vida a estas estructuras. Hay a quienes no les parece bien porque creen que ahora mismo es una exageración, pero nosotros intentamos explicarles que en 20 años no lo será. Ese es el reto”.

Recabado y modelado de datos

Según Feagans, una clave para la modernización de infraestructuras es la tecnología digital. El trabajo colaborativo basado en la nube, un entorno de datos común, BIM y gemelos digitales, software de modelado predictivo, Autodesk AutoCAD, sistemas de mapeo GIS, sensores instalados en las calzadas y enfoques de construcción rápida tales como el diseño para la fabricación y el ensamblaje (DfMA, por sus siglas en inglés): todos ellos pueden responder a unas circunstancias climáticas en constante cambio, de forma económica y específica para cada obra.

Para muchos estados, el primer paso es llevar un mejor control de la infraestructura existente. Antes de proponer un impuesto a la gasolina en 2017, Feagans indica que miembros del Gobierno estatal de Indiana solicitaron un recuento de la cantidad de puentes, carreteras y obras de drenaje transversal de mayor y menor tamaño, así como de su estado.

Los datos son completamente accesibles a través del portal Indiana Total Asset Management: el estado cuenta con 46 740 kilómetros de carreteras, 5763 puentes, 8858 obras de drenaje grandes y 50 000 pequeñas, y en todos los casos se incluye su antigüedad, estado y ubicación, guardados en la nube. Un mejor inventario se traduce en mejores carreteras. En los últimos cinco años, el porcentaje de carreteras en “en mal estado” ha descendido de un 10 % a un 5 %, mientras que, en el caso de los puentes, la cifra ha pasado del 5 % al 3 %.

“Hace ocho o nueve años no teníamos todos los datos en el mismo sitio —recuerda Feagans—. Estaba todo metido en archivadores, en el software de mantenimiento, y gran parte lo teníamos en una hoja de Excel. Había datos por todas partes. Una de las primeras cosas en las que empezamos a trabajar fue en centralizarlo todo y empezar a tener una única fuente de datos, e introducir esos datos en un programa de mapas GIS con todos los activos, para que todo el mundo lo tuviera al alcance de la mano”.

El modelado de datos también ha sido una gran ayuda para INDOT. Hace poco, el estado inició un estudio de precipitaciones y corrientes de agua para evaluar mejor el riesgo de inundaciones mediante datos GIS del Servicio Geológico de Estados Unidos. Además, ha reevaluado el flujo del tráfico e invertido en software de modelado dTIMS (siglas en inglés de “sistema Deighton de gestión total de infraestructuras) para iterar rápidamente distintos supuestos de reparación de tuberías, puentes y carreteras según un presupuesto prefijado.

Priorización de infraestructuras y evaluación de riesgos

La intención a largo plazo de estos esfuerzos es facilitar a diseñadores, ingenieros, proyectistas, hidrólogos y propietarios de los activos los datos necesarios para llevar a cabo una evaluación fiable de los riesgos y mejorar la resiliencia de los futuros diseños.

De forma más inmediata, la intención del refuerzo de infraestructuras es desarrollar un mejor modo de mantener las que ya existen. El mensaje de la Administración Federal de Autopistas, según Runyen, es: “Si no hay que sustituir la construcción entera, déjala en paz y reequilibra el portafolio. Y eso es en lo que nos estamos centrando ahora mismo”.

De un presupuesto total para infraestructuras de más de 10 000 millones de dólares, solo 2800 están destinados al objetivo de PennDOT para nuevas construcciones. Pero en cuestión de esfuerzos de mantenimiento y rehabilitación, la tecnología ofrece importantes hallazgos en cuanto a la priorización de activos y la respuesta a emergencias, revelando cuáles son las carreteras con un mayor volumen de tráfico o las rutas de acceso a escuelas, hospitales y centrales eléctricas, así como los costos para los proyectos a lo largo de toda su vida útil.

“No hay que construir todos los puentes para que sean resilientes —afirma Runyen—. Pero, desde luego, hay algunas estructuras clave que no podemos permitirnos perder cada dos años por culpa de una inundación. Y ahí es donde merece la pena poner el dinero”.

Un ejemplo práctico de esta priorización de infraestructuras es el del mantenimiento de puentes, especialmente después de una microrráfaga. Una herramienta de software llamada BridgeWatch ofrece un panorama preciso de los lugares exactos donde hay precipitaciones en cada momento, lo cual reduce el tiempo de respuesta de los equipos de emergencias. Runyen afirma: “Nos está ayudando a reaccionar de forma adecuada, enviando nuestros recursos donde hacen falta y cuando hace falta”.

Mediante diversos análisis, el estado puede tomar medidas proactivas tales como desviar el flujo del agua de los pilares de un puente, modernizar sistemas de tuberías subterráneas o retirar los depósitos de sedimento. “Es casi como predecir el futuro —indica Runyen—. Y eso es lo que tenemos que empezar a hacer: prepararnos para las incertidumbres”.

INDOT, con un presupuesto total de 4,3 millones de dólares, ha desarrollado estrategias de ciclos de vida de 12 y 20 años de duración para el mantenimiento de pavimentos: las reparaciones menores, como el sellado y parcheado de grietas, se designan para los años más tempranos. Las obras más intensivas, como el asfaltado, se organizan hacia los años finales de ese periodo. La inversión en reparaciones de puentes y obras de drenaje transversal contribuye a la longevidad de las infraestructuras ya existentes.

Feagans compara estos protocolos de mantenimiento preventivo con la puesta a punto de un coche: “Si no cambias el aceite o haces rotar los neumáticos de vez en cuando, acabarás teniendo problemas”.

Construyendo para el futuro

En algún momento, las reparaciones dejan de ser eficientes económicamente. Los proyectistas, hidrólogos, diseñadores e ingenieros están recalibrando proyecciones históricas de fenómenos meteorológicos extremos, adelantándose a los cambios del clima y a precipitaciones más fuertes. Los sistemas de infraestructuras tendrán que soportar grandes daños para evitar el corte de carreteras o la pérdida de vidas. Los sistemas de recogida de aguas pluviales de las autopistas interestatales de Pensilvania están diseñados para soportar inundaciones con probabilidad de darse cada 50 años, pero lo más seguro es que tengan que diseñarse para aquellas de probabilidad excepcional (las que pueden darse cada 500 años).

“Ya no vivimos en una curva [de cambio climático] tranquila y suave, sino que está subiendo a toda velocidad —advierte Runyen—. Y eso es lo que debemos tener en cuenta: las cosas van a cambiar de forma exponencial”.

Algunas de las estrategias de diseño resiliente consisten en seleccionar materiales más duraderos, elevar carreteras y puentes, ubicar carreteras más alejadas de las cuencas hidrográficas y cambiar la configuración de elementos estructurales, entre otros.

También se están desarrollando nuevos métodos para modelar y probar la resistencia de diversos materiales. INDOT, en colaboración con la Universidad de Purdue, está evaluando unos sensores capaces de detectar la firmeza en el endurecimiento del hormigón. Además, un equipo de ingenieros, por encargo del estado, están usando deflectómetros de impacto para medir la elasticidad de las aplicaciones de pavimento y determinar su resiliencia bajo cargas pesadas.

Otra de las áreas de investigación en las que están trabajando es el desarrollo de métodos para reducir la erosión cerca de los terraplenes de los puentes, presas y diques. Para proteger las carreteras colindantes con puentes susceptibles de erosionarse por el efecto de la lluvia, PennDOT contrató a un grupo de investigadores de la Universidad de Lehigh para evaluar técnicas de construcción por relleno. Uno de los enfoques aplica una configuración reforzada de agregado grueso revestido de roca y envuelto en geosintéticos detrás de los terraplenes del puente. La densa matriz ayuda a mantener el material de relleno en su sitio y permite que las carreteras sigan funcionando durante las inundaciones e inmediatamente después.

“Si te fijas en Venecia, allí tienen unos bloques enormes de hormigón protegiéndola de las subidas de las inundaciones —explica Runyen—. La cuestión es absorber energía, impedir que el agua afecte a los cimientos más sensibles. Pero si la inundación es lo bastante grave, se empiezan a perder esas rocas protectoras. Así que nosotros hemos investigado el uso de distintos materiales para crear una matriz que no solo aguante más tiempo, sino que también respete el medio ambiente”.

Los fondos procedentes de la Ley de Inversión y Empleo en Infraestructura podrían acelerar estos esfuerzos de investigación. Recientemente, Indiana recibió 600 000 dólares en fondos federales a través del programa PROTECT, vinculado a dicha ley, apoyando la planificación para la resiliencia del transporte terrestre. PennDOT espera recibir otros 50 millones al año a través de este programa.

“Cuanto más dispuestas estén las organizaciones a adoptar herramientas y flujos de trabajo digitales, más preparadas estarán para encarar los desafíos que presentan el cambio climático y los fenómenos meteorológicos extremos, extender la vida de construcciones ya existentes y prepararse para los desafíos del futuro”. —Richard Runyen, PennDOT

Ambos estados distan mucho de encontrarse en una situación en la que puedan predecir a largo plazo la prevención de pérdidas humanas y el ahorro de costos, energía y emisiones. Lleva tiempo poner a prueba los diseños de nuevos puentes y carreteras, aprobar materiales y desarrollar pautas para construir infraestructuras resilientes. Pero es un salto que, según Runyen, deberían haber dado hace mucho:

“Como ingenieros, tenemos que salir de nuestra zona de confort. La resiliencia va de hacer un esfuerzo por pensar más allá de lo que estamos diseñando para el presente. Por decirlo de otra forma: el concepto de resiliencia y el de optimización de tecnologías tienen que ir de la mano: cuanto más dispuestas estén las organizaciones a adoptar herramientas y flujos de trabajo digitales, más preparadas estarán para encarar los desafíos que presentan el cambio climático y los fenómenos meteorológicos extremos, extender la vida de construcciones ya existentes y prepararse para los desafíos del futuro”.