Modelling functional service life using fuzzy logic. Application to heritage buildings

La presente tesis doctoral constituye una aportación en el campo de la conservación preventiva de edificios patrimoniales, a través del análisis de su degradación funcional. En este sentido, se ha continuado avanzando y desarrollando el sistema experto Fuzzy Building Service Life – (FBSL) diseñado en el seno de la ETSIE de la Universidad de Sevilla. Este método sustentado en lógica difusa es capaz de realizar predicciones de funcionalidad de edificios, gestionando las vulnerabilidades y los riesgos que afectan en su rendimiento. En esta investigación, se han abordado nuevas aplicaciones teóricas y prácticas que contribuyen a la aplicabilidad y generalización del modelo. El estudio de casos práctico se ha conformado por templos religiosos construidos entre los siglos XIII y XVII, y ubicados en el suroeste de España, provincia de Sevilla. La metodología FBSL ha sido normalizada mediante el análisis de la normativa internacional de gestión del riesgo ISO 31000:2009 y la normativa europea EN 31010:2011, demostrando que el modelo cumple con las especificaciones de dichas normas. Además, el Instituto de Patrimonio Cultural de España (IPCE) en su Plan Nacional de Conservación Preventiva (PNCP) recomienda la utilización de la ISO 31000 como herramienta para la gestión, apreciación, seguimiento y control de los riesgos en conservación de patrimonio. Posteriormente, se ha llevado a cabo un análisis mediante regresión múltiple linear con el fin de clasificar las variables de entrada del sistema en base a la influencia que ejercen en el resultado final del modelo - estimación de la funcionalidad de edificios -, considerando además una reducción en el número de entradas y destacando aquellas que presentan un mayor peso en el parámetro de salida. Para ello, se han evaluado un total de 100 edificios históricos ubicados en el sur de España. El modelo FBSL ha sido comprobado mediante la correlación con otro sistema de predicción de vida útil física de materiales de construcción (que establece un índice para valorar la degradación global de un elemento de la construcción, designado severidad de degradación (Sw)) desarrollado por el IST de la Universidad de Lisboa (Portugal). En este sentido, se han analizado conjuntamente condiciones de degradación física y funcional de sistemas constructivos de fachadas en Lisboa (Portugal), obteniendo fuertes coeficientes de determinación para el conjunto de muestras analizadas, permitiendo asociar a la escala de prioridad de intervención un período temporal para realizar las acciones de mantenimiento. Por último, se han identificado las principales deterioros que pueden afectar a estas tipologías de edificios históricos, analizando sus causas más frecuentes y evaluando la influencia de estas patologías en el nivel funcionalidad de las construcciones. Para llevar a cabo este análisis, se han recolectado un total de 390 registros histórico-temporales en una muestra de 20 iglesias parroquiales ubicadas en la provincia de Sevilla. Esta aplicación proporciona información de gran utilidad para la definición de futuros planes de mantenimiento preventivo.Se puede considerar que el principal aporte de esta tesis es un sistema experto evolucionado en el campo de la predicción de la vida útil funcional de edificios FBSL2.0, donde se aportan 6 principales mejoras al sistema inicial: 1) Desarrollo matemático pormenorizado de la metodología fuzzy; 2) Normalización con la normativa internacional ISO 31000:2009 de gestión del riesgo; 3) Nuevas aplicaciones teóricas y prácticas; 4) Análisis por medio de regresión múltiple linear para identificar estadísticamente el peso de cada una de las variables en el output del sistema; que ha permitido la simplificación del modelo; 5) Validación con otra metodología de predicción de vida útil ampliamente testada y publicada; y finalmente el 6) Estudio de datos histórico-temporales con el fin de evaluar la influencia de pasadas situaciones patológicas en el futuro estado de funcionalidad de los edificios.This doctoral thesis makes a contribution to the field of preventive conservation of heritage buildings through the analysis of their functional degradation. In this sense, we have continued to advance and develop the Fuzzy Building Service Life - (FBSL) expert system designed at the Department of Building Construction (ETSIE) of the University of Seville. This fuzzy logic-based method is able to predict building functionality, managing vulnerabilities and risks that affect their performance. This research addressed new theoretical and practical applications that contribute to the applicability and general implementation of the model. The practical case study focused on churches built between the 13th and 17th centuries and located in the province of Seville in southwest Spain. The FBSL methodology was standardized based on an analysis of the ISO 31000:2009 international standard on risk management and the European standard EN 31010:2011, demonstrating that the model complies with the specifications of these standards. Additionally, the National Institute of Cultural Heritage ("Instituto de Patrimonio Cultural de España" - IPCE - in Spanish) in its National Preventive Conservation Plan ("Plan Nacional de Conservación Preventiva" - PNCP - in Spanish) recommends the use of ISO 31000 as a tool for the management, assessment, monitoring and control of risks in heritage conservation. Subsequently, a linear multiple regression analysis was performed to classify the input variables of the system based on the influence they had on the final result of the model, namely the estimation of building functionality, also considering a reduction in the number of entries and highlighting those presenting greater weight in the output parameter. For this purpose, a total of 100 historic buildings located in the south of Spain were evaluated. The FBSL model was verified by correlating it with another system for predicting the functional service life of building materials (which establishes an index for assessing the overall degradation of a building element, called "degradation severity" (Sw)), developed by the School of Engineering (IST) of the University of Lisbon (Portugal). In this sense, the conditions of physical and functional degradation of façade construction systems in Lisbon (Portugal) were analyzed together, obtaining strong determination coefficients for the entire sample analyzed, and allowing the scale of intervention priority to be associated with a specific period for performing maintenance activities. Finally, the main types of deterioration affecting these historical buildings were identified, analysing their most frequent causes and evaluating the influence of these pathologies on the level of functionality of the buildings analyzed. To carry out this analysis, a total of 390 historical time series records were gathered in a sample of 20 parish churches located in the province of Seville. This application provides very useful information for defining future preventive maintenance plans.The main contribution of this doctoral thesis is an evolved expert system for predicting the functional useful life of buildings - FBSL2.0 -, with six (6) main improvements having been made to the initial system: 1) detailed mathematical development of the fuzzy methodology; 2) standardization with the ISO 31000:2009 international risk management standard; 3) new theoretical and practical applications; 4) linear multiple regression analysis to statistically identify the weight of each variable in the system output, enabling the simplification of the model; 5) validation with another widely tested and published functional useful life prediction methodology; and finally, 6) the study of historical time series data to evaluate the influence of past pathological situations on the future functionality status of buildings