Un estudio reciente plantea la optimización simultánea de la resistencia, el coste y las emisiones de CO₂ en columnas tubulares rellenas de hormigón y muestra cómo la geometría, la esbeltez y los materiales pueden modificar la solución óptima.
Acaban de publicar un artículo nuestro en Journal of Composites Science, una de las revistas de impacto científico indexada en el JCR. La investigación se enmarca en el proyecto RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Además, muestra la internacionalización de nuestro grupo de investigación, en este caso, con Brasil. A continuación, se presenta un resumen del trabajo y de la información de contexto.
Durante décadas, el dimensionamiento estructural ha girado en torno a una pregunta directa: ¿qué sección necesitamos para resistir las acciones previstas? Hoy esa pregunta sigue siendo imprescindible, pero ya no agota el problema. El coste de los materiales y su impacto ambiental están teniendo un impacto progresivo en las decisiones de los proyectos.
Las columnas tubulares de acero rellenas de hormigón constituyen un buen campo de estudio para esta cuestión. El perfil de acero aporta resistencia y confinamiento, mientras que el hormigón contribuye a la capacidad resistente y a la rigidez del conjunto. Existen, sin embargo, muchas formas de alcanzar una determinada resistencia: modificar la geometría, mejorar la calidad de los materiales o incorporar armadura adicional.
El trabajo de Lourenção et al. aborda estas alternativas mediante un procedimiento de optimización multiobjetivo aplicado a columnas tubulares mixtas con secciones circulares, cuadradas y rectangulares. El objetivo es analizar conjuntamente la capacidad resistente, el coste y las emisiones de CO₂ incorporadas.
De dimensionar una sección a explorar un espacio de soluciones
La principal aportación del estudio radica en plantear el diseño como un problema de búsqueda. Los autores permiten que el modelo modifique la geometría de la sección, las propiedades de los materiales y la disposición de la armadura dentro de un espacio de diseño previamente definido.
La herramienta empleada es Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO), una extensión del algoritmo PSO orientada a problemas con múltiples objetivos. El procedimiento genera soluciones de Pareto: alternativas en las que mejorar uno de los objetivos implica, por lo general, penalizar el otro.
El estudio utiliza, además, métricas de Minkowski y la teoría de la entropía para analizar y seleccionar alternativas dentro de ese conjunto. De esta forma, el resultado no es una única sección supuestamente óptima, sino un conjunto de soluciones que permiten valorar distintos compromisos entre resistencia, coste y emisiones.
Qué variables entran en el cálculo
El espacio de búsqueda incluye perfiles tubulares circulares, cuadrados y rectangulares del catálogo de Vallourec. También se modifican la resistencia característica del hormigón, la calidad del acero y, cuando corresponde, la cantidad y el diámetro de las barras longitudinales.
El hormigón se estudia entre 25 y 90 MPa, con barras de 10, 12,5, 16 y 20 mm y diferentes calidades de acero estructural. La inclusión de hormigones de alta resistencia permite estudiar si una mayor resistencia del material puede compensar su mayor coste mediante una reducción de la cantidad total de material.
Este punto requiere cierta cautela. El artículo señala que la ABNT NBR 8800:2024 limita la resistencia característica del hormigón en los elementos mixtos a 50 MPa. Las soluciones por encima de ese valor tienen, por tanto, un carácter exploratorio en el estudio.
Las tres funciones objetivo son la capacidad resistente, el coste de los materiales y las emisiones de CO₂ asociadas al hormigón, al perfil de acero y a la armadura.
Qué se ha validado realmente
Antes de aplicar la optimización, los autores contrastan la formulación empleada para calcular la capacidad resistente con seis probetas experimentales publicadas por Ibáñez et al. (2021).
Son columnas tubulares rellenas de hormigón sin armadura longitudinal adicional, con secciones circulares, cuadradas y rectangulares, una longitud de 30 cm y apoyos articulados en ambos extremos. Las cargas últimas experimentales se comparan con las obtenidas mediante el Eurocódigo 4, el AISC y la formulación basada en la ABNT NBR 16239 empleada en el estudio.
La relación media Nexp / NNBR16239 es 1,01. Los valores medios correspondientes a Eurocódigo 4 y a AISC son 0,92 y 1,09, respectivamente. Los resultados individuales muestran diferencias entre las probetas, especialmente en algunas secciones circulares.
La precisión metodológica es importante: esta comprobación respalda la formulación empleada para estimar la resistencia, pero no constituye una validación experimental del algoritmo MOPSO ni de las soluciones de coste y de emisiones. Tampoco cubre directamente el comportamiento de las columnas de 3, 4 y 5 m analizadas en la optimización, ya que las probetas experimentales tienen 30 cm de longitud.
Qué encuentra la optimización
Los resultados muestran que las configuraciones sin armadura longitudinal adicional suelen presentar emisiones menores que sus equivalentes armadas. Aunque la armadura incrementa la capacidad resistente, añade acero y, con ello, coste y emisiones.
El empleo de hormigones de mayor resistencia puede alterar ese equilibrio. En determinadas soluciones sin armadura, los hormigones de 60 y 90 MPa permiten reducir la cantidad total de material y las emisiones. En los casos estudiados, las reducciones alcanzan hasta aproximadamente el 16 %.
La geometría tampoco mantiene una posición constante. El estudio analiza columnas de 3, 4 y 5 m y observa que el aumento de la longitud de la columna incrementa las emisiones. Los autores cuantifican un aumento medio de aproximadamente el 35 % en las columnas de 4 m y del 73 % en las de 5 m respecto de las soluciones de 3 m.
La explicación se relaciona con la mayor demanda de material asociada a la esbeltez y con las restricciones adicionales de resistencia y estabilidad. Además, la sección que presenta las menores emisiones varía según las cargas y la longitud consideradas.
Qué aporta el frente de Pareto
La representación mediante frentes de Pareto permite visualizar el compromiso entre los tres objetivos. Una solución puede ofrecer mayor capacidad resistente, pero a costa de un mayor coste y de mayores emisiones; otra puede reducir el impacto ambiental a costa de una menor capacidad o de otras penalizaciones.
Entre los nueve escenarios analizados mediante el procedimiento multicriterio, las secciones cuadradas sin armadura longitudinal adicional ocupan la primera posición en ocho de ellos. La excepción corresponde a una columna de 4 m sometida a flexión biaxial, en la que la alternativa rectangular con armadura adicional ocupa dicha posición.
Estos resultados corresponden al conjunto concreto de cargas, longitudes, materiales y criterios considerados. No permiten establecer una regla general según la cual una determinada geometría sea siempre preferible.
Utilidad práctica de la investigación
La aplicación más interesante del procedimiento radica en el predimensionamiento y en la comparación sistemática de alternativas. En lugar de seleccionar una sección y modificarla mediante iteraciones sucesivas, el ingeniero puede definir un conjunto de soluciones admisibles y explorar simultáneamente la geometría, los materiales y la armadura. Esto puede ser especialmente útil en estructuras con numerosas columnas similares, donde pequeñas diferencias en el consumo de acero u hormigón pueden acumularse y generar efectos relevantes.
El modelo, sin embargo, no sustituye las comprobaciones habituales del proyecto. El estudio no incorpora como criterios independientes la constructibilidad, la ductilidad, la resistencia al fuego ni determinadas condiciones de servicio. Tampoco realiza un análisis de ciclo de vida completo: el indicador ambiental se limita a las emisiones incorporadas de los materiales considerados. Los resultados ambientales dependen de los factores de emisión adoptados, mientras que la selección multicriterio depende del procedimiento utilizado para comparar las alternativas.
La metodología es potencialmente transferible al proyecto español, pero los resultados numéricos no pueden trasladarse directamente. El estudio utiliza normativa, perfiles comerciales, precios y datos ambientales pertinentes al contexto brasileño. Para aplicarlo en España, habría que adaptar el espacio de búsqueda a los perfiles disponibles, a los materiales y precios reales, a los datos ambientales del suministro y a la normativa aplicable. También habría que incorporar las condiciones concretas de ejecución, de fuego, de durabilidad, de uniones, de estabilidad global y de servicio.
Por tanto, la transferencia más interesante no consiste en adoptar directamente una de las secciones seleccionadas por el estudio, sino en reproducir el procedimiento con datos y restricciones propios del proyecto. Esa es probablemente la principal utilidad profesional del trabajo: disponer de una metodología capaz de explorar conjuntamente la resistencia, el coste y las emisiones antes de fijar definitivamente la solución estructural.
Referencia:
LOURENÇÃO, J.S.; KRIPKA, M.; YEPES, V.; ALVES, É.C. (2026). Multi-Objective Comparative Analysis of High-Strength Steel–Concrete Composite Columns. Journal of Composites Science, 10(10):517. DOI:10.3390/jcs10100517
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