Análisis de la fiabilidad en estructuras de ingeniería civil y aeronáutica en entornos de computación en paralelo

Resumen

El campo del análisis estructural ha experimentado una evolución considerable en las últimas décadas, gracias en gran medida al rápido desarrollo de los equipos informáticos iniciado en el último cuarto del siglo XX, al que le ha seguido la paulatina adaptación a los mismos de los métodos de cálculo. Así, de los métodos gráficos o los primeros métodos iterativos, que permitían resolver esquemas estructurales no excesivamente detallados en régimen estático y lineal, se ha pasado a poder discretizar de manera pormenorizada cualquier elemento estructural y someterlo a un análisis que simule el comportamiento no lineal o incluso la variable temporal. De todos los métodos de análisis que se aplican en la actualidad, el método de los elementos finitos es el más extendido, ya que permite obtener de forma eficaz una solución aproximada de la respuesta estructural mediante la discretización del dominio de análisis, contando con la ventaja adicional de ser un método de propósito general en lo que respecta a la modelización del comportamiento mecánico. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones del método de los elementos finitos asumen planteamientos deterministas, lo que está en contradición con el caracter esencialmente aleatorio de la respuesta de un sistema estructural, en el que influyen incertidumbres de diversas fuentes, como son las dimensiones geométricas de los elementos, las propiedades mecánicas de los materiales, los valores de las solicitaciones exteriores o las inexactitudes derivadas de las hipótesis simplificativas necesarias para representar matemáticamente el comportamiento físico del sistema. El modo en el que se tienen en cuenta estas incertidumbres en los procedimientos de análisis y diseño actuales es mediante un enfoque semideterminista, que utiliza coeficientes de seguridad que mayoran las solicitaciones nominales y minoran el valor esperado de la respuesta estructural. Esta manera de proceder, si bien ha sido aplicada con éxito y ha permitido verificar la seguridad de la práctica totalidad de las construcciones contemporáneas, puede resultar excesivamente conservadora, lo que tiene como consecuencia un incremento no justificado en las dimensiones de la estructura o en las especificaciones de los materiales, es decir, un sobredimensionamiento, lo que conlleva inevitablemente un sobrecoste económico. Como alternativa a este enfoque semideterminista, se plantea la caracterización probabilista de la seguridad estructural, que tiene en cuenta de forma directa las incertidumbres en el sistema y las incorpora al análisis, de modo que las variables y los parámetros involucrados en el mismo ya no toman valores deterministas, sino que que son variables aleatorias, lo que exige métodos específicos de análisis que sean capaces de evaluar la respuesta estructural y obtener la probabilidad de fallo asociada a la misma. La ventaja de estos métodos es que, una vez fijada la probabilidad de fallo que se exige a la estructura, no se produce el sobredimensionamiento de la misma, porque no es necesario utilizar unos coeficientes de seguridad no relacionados especificamente con las incertidumbres del caso considerado. Como contrapartida, la medida probabilista de la seguridad estructural se circunscribe fundamentalmente a ámbitos de tipo académico y es ajena a la práctica profesional. Los motivos de eso son varios, entre otros la inercia adquirida con el uso de un método, el semideterminista, que resulta sencillo de aplicar y proporciona resultados satisfactorios, aunque no menos importante resulta el hecho de que pese a que las metodologías están suficientemente desarrolladas y su aplicación a casos simples comprobada, el escalado a problemas mayores, susceptibles de ser aplicados en el ámbito profesional, conlleva elevados requisitos de computación y por consiguiente debe recurrirse a infraestructuras de cálculo de alto rendimiento, lo que exige la utilización de los códigos en un entorno de ejecución en paralelo, tarea en absoluto trivial y que conlleva en ocasiones soluciones ad hoc en cada problema. Por ello, el objetivo de esta investigación es la revisión de los principales métodos de análisis de la fiabilidad susceptibles de ser utilizados en la práctica profesional y, al mismo tiempo, mostrar como es posible la aplicación sistemática de las principales metodologías de análisis de la fiabilidad a modelos estructurales complejos, de caracter industrial, en los ámbitos de la ingeniería civil y aeronáutica.