Categoría: edificación

Técnica innovadora optimiza estructuras de hormigón y reduce emisiones de CO₂ al considerar la interacción suelo-estructura

El artículo científico, titulado «Metamodel-assisted meta-heuristic design optimization of reinforced concrete frame structures considering soil-structure interaction» y publicado recientemente en Engineering Structures, una de las revistas de mayor impacto en ingeniería civil, aborda un desafío clave en la ingeniería estructural: cómo optimizar el diseño de estructuras de hormigón armado para minimizar su impacto ambiental, con especial atención a la reducción de las emisiones de CO₂.

Esta investigación es el resultado de una colaboración internacional realizada en el marco de los proyectos HYDELIFE y RESILIFE, cuyo investigador principal es Víctor Yepes, y de una colaboración entre investigadores de Cuba, Brasil y España.

Contexto de la investigación

La optimización estructural ha sido ampliamente explorada en las últimas décadas debido a la creciente necesidad de reducir los costes de construcción y el consumo de materiales, todo ello mientras se minimiza el impacto ambiental. En el caso de las estructuras de hormigón armado, que son esenciales en la construcción de edificios y obras de infraestructura, optimizar su diseño conlleva implicaciones significativas en cuanto al ahorro de recursos y la reducción de las emisiones de CO₂.

Los problemas de optimización estructural pueden resolverse mediante métodos exactos, como la programación matemática, o mediante métodos heurísticos que imitan procesos naturales (como la evolución genética o el comportamiento de enjambres). Aunque los métodos heurísticos son más eficientes para problemas complejos y no lineales, como los que involucran grandes estructuras tridimensionales, requieren un alto coste computacional. Para abordar este problema, los autores proponen el uso de metamodelos, modelos simplificados que permiten realizar simulaciones con un consumo de recursos computacionales mucho menor sin sacrificar demasiada precisión. En este estudio, se utiliza un metamodelo basado en Kriging, una técnica que permite aproximar el comportamiento de estructuras complejas.

Además, el estudio introduce una novedad crucial: la incorporación de la interacción suelo-estructura (SSI, por sus siglas en inglés) al modelado. Esta interacción, que a menudo se ignora en los modelos tradicionales, afecta significativamente al comportamiento de la superestructura (el marco de hormigón). Ignorarla puede dar lugar a diseños menos precisos que no consideran los asentamientos diferenciales del suelo, lo que puede provocar tensiones adicionales y un mayor deterioro de las estructuras con el tiempo.

Metodología

La investigación emplea un enfoque combinado de optimización heurística convencional y de una estrategia basada en Kriging para optimizar marcos espaciales de hormigón armado. El objetivo es reducir las emisiones de CO₂ de las estructuras optimizadas, en línea con los esfuerzos para disminuir el impacto ambiental del sector de la construcción. El estudio incluye tres estudios de caso, cada uno con diferentes configuraciones estructurales (variando la longitud de los vanos y el número de niveles de las estructuras) para generalizar los resultados.

El elemento clave de esta investigación es la incorporación de la interacción suelo-estructura, que influye en el comportamiento global del sistema. Los autores utilizan un modelo de Winkler, que representa el suelo como un conjunto de resortes con rigidez variable según sus características, y lo aplican a dos tipos de suelo: uno cohesivo y otro granular. Esta diferenciación es importante porque cada tipo de suelo responde de manera distinta a las cargas, lo que provoca asentamientos que, en última instancia, inciden en las tensiones de la superestructura. La plataforma CSi-SAP2000 se utilizó como motor de cálculo, mientras que el análisis geotécnico y estructural se integró mediante MATLAB.

Resultados

Uno de los hallazgos más destacados del estudio es que la inclusión de la interacción suelo-estructura modifica significativamente los diseños estructurales. En general, las estructuras diseñadas teniendo en cuenta la interacción suelo-estructura requieren más material (mayores cantidades de hormigón y acero), lo que refleja el aumento de las tensiones debido a los asentamientos diferenciales. Por ejemplo, en comparación con un modelo con soportes rígidos ideales, las estructuras que consideran la interacción suelo-estructura muestran un aumento del 12,03 % en las emisiones de CO₂ en suelos cohesivos y hasta del 18,81 % en suelos friccionales.

Los elementos estructurales más afectados por la interacción suelo-estructura son las columnas. Esto se debe a que los asentamientos diferenciales incrementan los momentos flectores en las columnas, lo que requiere un refuerzo adicional y secciones más grandes para resistir las nuevas tensiones. En algunos casos, las emisiones de CO₂ asociadas a las columnas aumentaron más del 60 % al considerar la interacción con el suelo. Los resultados son especialmente marcados en suelos granulares, donde los asentamientos diferenciales son más pronunciados.

Además, la metodología basada en metamodelos, asistida por la técnica de Kriging, demostró ser eficaz para lograr optimizaciones con un alto grado de precisión (hasta un 98,24 % en suelos cohesivos y un 98,10 % en suelos granulares), lo que redujo el tiempo de cálculo en aproximadamente un 90 % en comparación con los métodos heurísticos convencionales.

Implicaciones

Este estudio tiene importantes implicaciones prácticas para el diseño de estructuras de hormigón armado. La inclusión de la interacción suelo-estructura permite obtener diseños más robustos y precisos, lo que reduce el riesgo de fallos prematuros y la necesidad de costosos trabajos de mantenimiento a largo plazo. Los modelos que no tienen en cuenta la interacción suelo-estructura pueden dar como resultado estructuras que inicialmente parecen eficientes, pero que con el tiempo se deterioran más rápidamente debido a las tensiones adicionales no previstas. Por tanto, incorporar esta interacción desde el inicio del diseño mejora significativamente la durabilidad y la fiabilidad de las estructuras.

Desde el punto de vista ambiental, el uso de metamodelos para optimizar las estructuras de hormigón representa un avance importante. Al reducir el material necesario y mejorar la eficiencia estructural, se contribuye a disminuir las emisiones de CO₂, un objetivo clave en la lucha contra el cambio climático. Además, la metodología propuesta ofrece un enfoque más sostenible al reducir los recursos computacionales necesarios para realizar simulaciones complejas.

En conclusión, la inclusión de la interacción suelo-estructura y el uso de metamodelos basados en Kriging constituyen una contribución innovadora al campo de la ingeniería estructural. Esta investigación no solo proporciona mejores resultados de diseño, sino que también tiene el potencial de reducir el impacto ambiental de las estructuras de hormigón armado, lo que contribuye a que el sector de la construcción sea más sostenible y eficiente.

Referencia:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Metamodel-assisted meta-heuristic design optimization of reinforced concrete frame structures considering soil-structure interaction. Engineering Structures, 293:116657. DOI:10.1016/j.engstruct.2023.116657

 

Edificios modulares de acero: una opción sostenible y resistente en zonas sísmicas

Un estudio reciente, titulado «Life cycle assessment of seismic resistant prefabricated modular buildings» y publicado en la prestigiosa revista Heliyon, ha evaluado los beneficios de los edificios modulares prefabricados (PVMB) diseñados para resistir terremotos.

La investigación, liderada por expertos de la Universitat Politècnica de València y la Universidad Central del Ecuador, se llevó a cabo en el marco del proyecto RESILIFE y comparó cuatro sistemas estructurales, tres de ellos basados en tecnología modular (dos de hormigón armado y uno de acero), y un sistema convencional de hormigón armado in situ, en una zona de alto riesgo sísmico.

El análisis tuvo en cuenta tanto los impactos económicos como los ambientales a lo largo de todo el ciclo de vida de los edificios, desde la fabricación hasta la demolición.

 

Contexto del estudio

El sector de la construcción es responsable de una parte importante del consumo de recursos y de las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel global. Dado que el crecimiento poblacional y la demanda de infraestructuras siguen aumentando, las tecnologías como los edificios modulares prefabricados ofrecen una alternativa innovadora para reducir el impacto ambiental. Estos sistemas, que permiten construir fuera del emplazamiento y ensamblar los módulos en la obra, prometen reducir los tiempos y los costes de construcción en un 50 % y un 30 %, respectivamente, lo que los convierte en una opción atractiva en términos de sostenibilidad y eficiencia.

Sin embargo, la adopción de estas tecnologías en áreas sísmicas aún se enfrenta a barreras, principalmente debido a la necesidad de demostrar su capacidad de resistir cargas sísmicas y a la percepción de altos costes iniciales. Por ello, el estudio se centró en un análisis integral de la vida útil para cuantificar dichos beneficios y compararlos con los de las técnicas de construcción convencionales.

Metodología

El estudio evaluó un hospital de cuatro pisos situado en Quito, Ecuador, una región con un alto nivel de actividad sísmica debido a la presencia de dos fuentes principales de terremotos: una zona de subducción y un sistema de fallas activas. Se evaluaron cuatro soluciones estructurales:

  1. Un sistema convencional de hormigón armado construido in situ.
  2. Un sistema modular de hormigón armado con conexiones húmedas (prefabricación con ensamblaje en obra mediante hormigonado).
  3. Un sistema modular de hormigón armado con conexiones secas (ensamblaje mediante pernos y juntas metálicas).
  4. Un sistema modular de acero.

El análisis abarcó las etapas de fabricación, construcción, uso y fin de vida y evaluó tanto el impacto ambiental como el coste económico. Para ello, se utilizaron indicadores como la cantidad de materiales empleados, las emisiones de gases de efecto invernadero y los costes asociados a cada etapa, desde la producción de los módulos hasta su mantenimiento y demolición.

Resultados principales

Los resultados revelaron que, aunque el sistema modular de acero es el más costoso en términos de construcción inicial (un 60 % más caro que el sistema convencional), presenta los mejores resultados en sostenibilidad. Este sistema mostró una reducción significativa de los impactos ambientales, con una disminución del 43 % en las emisiones de gases de efecto invernadero frente al sistema tradicional de hormigón. Además, los ciclos de mantenimiento fueron menores, lo que implica una mayor durabilidad y menos intervenciones a lo largo de su vida útil.

Por otro lado, las alternativas de hormigón modular, si bien también ofrecían beneficios en cuanto a reducción del tiempo de construcción, presentaban mayores impactos ambientales debido al uso intensivo de hormigón y acero de refuerzo. De hecho, el sistema modular con conexiones húmedas resultó ser el menos favorable desde el punto de vista ambiental, con un impacto un 52 % mayor que el del sistema convencional.

Implicaciones del estudio

Este trabajo tiene implicaciones importantes para la construcción en zonas sísmicas. Los autores sugieren que los métodos de construcción modulares no solo son viables desde el punto de vista técnico, sino también en términos de sostenibilidad ambiental, siempre y cuando se adopten las soluciones más eficientes, como el uso de estructuras de acero. Aunque los sistemas modulares de acero son más caros, ofrecen ventajas claras en cuanto a durabilidad, menor impacto ambiental y reducción de los costos de mantenimiento a lo largo de su vida útil.

El estudio también pone de relieve la importancia de evaluar no solo los costes iniciales de construcción, sino también el ciclo de vida completo de las infraestructuras. Las decisiones basadas únicamente en el precio de construcción pueden dar como resultado infraestructuras menos sostenibles a largo plazo, mientras que un enfoque integral, que tenga en cuenta el impacto ambiental y los costes futuros, puede conducir a mejores decisiones tanto para el medio ambiente como para la economía.

Conclusiones

En resumen, este estudio aporta valiosas evidencias a favor del uso de edificios modulares prefabricados, especialmente en zonas de alto riesgo sísmico. Los resultados indican que el uso de sistemas modulares de acero puede ser clave para mejorar la sostenibilidad de las infraestructuras, reducir las emisiones y asegurar una mayor durabilidad de los edificios. Las conclusiones de esta investigación son relevantes no solo para el ámbito académico, sino también para los responsables de políticas públicas y los profesionales de la construcción que buscan soluciones más sostenibles y eficientes para las ciudades del futuro.

Referencia:

GUAYGUA, B.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2024). Life cycle assessment of seismic resistant prefabricated modular buildings. Heliyon, 10(20), e39458. DOI:10.1016/j.heliyon.2024.e39458

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Métodos modernos de construcción mejoran la sostenibilidad de estructuras en entornos costeros agresivos

Un estudio reciente, titulado «Sustainable preventive maintenance of MMC-based concrete building structures in a harsh environment», ha sido publicado en el Journal of Building Engineering, una de las revistas de mayor prestigio en el ámbito de la ingeniería civil. Desarrollado en el marco del proyecto RESILIFE, investiga la sostenibilidad del mantenimiento preventivo de estructuras de hormigón armado en entornos agresivos, como las zonas costeras, donde la corrosión por cloruros representa una amenaza constante.

El trabajo se centra en aplicar métodos modernos de construcción (MMC) para optimizar el impacto ambiental, económico y social de las estructuras a lo largo de su ciclo de vida.

Contexto del estudio

La industria de la construcción es una de las mayores consumidoras de recursos no renovables y genera un impacto significativo en el medio ambiente. En la Unión Europea, el sector es responsable de más del 40 % del consumo energético y del 36 % de las emisiones de CO₂. Ante este escenario, iniciativas como el Green Deal europeo buscan mitigar estos impactos y alcanzar la neutralidad de carbono para 2050. En este contexto, los métodos de construcción sostenibles y eficientes han cobrado gran relevancia. En este contexto, los MMC emergen como una alternativa innovadora que combina materiales convencionales con técnicas constructivas no convencionales, orientadas a mejorar la eficiencia y a reducir el impacto ambiental.

El objetivo de la investigación fue aplicar estos métodos a la construcción de estructuras de hormigón en áreas costeras, específicamente en un edificio residencial público situado frente al mar en Sancti Petri (Cádiz). En el estudio se analizaron diez opciones de diseño para las losas de hormigón armado, considerando factores como la economía, el impacto ambiental y social y los ciclos de mantenimiento preventivo que cada opción requeriría durante la vida útil del edificio, estimada en 50 años.

Metodología y opciones de diseño

El estudio se centró en evaluar la durabilidad y la sostenibilidad de diferentes alternativas de diseño en condiciones adversas, como la exposición constante a cloruros, que aceleran la corrosión del refuerzo de acero del hormigón. Para ello, se evaluaron varias técnicas, entre ellas la adición de humo de sílice al 5 %, el uso de cenizas volantes, el empleo de cemento sulforresistente o el incremento de la capa de recubrimiento del hormigón. También se consideraron medidas como la protección catódica y el uso de inhibidores de corrosión hidrofóbicos, con el fin de minimizar los ciclos de mantenimiento necesarios para preservar la estructura.

Resultados más relevantes

Los resultados indicaron que el empleo de hormigón con un 5 % de humo de sílice fue la opción más sostenible en términos económicos y ambientales, ya que redujo significativamente los ciclos de mantenimiento. Este material mostró una excelente resistencia a la corrosión, por lo que se redujeron las reparaciones necesarias durante los 50 años de vida útil del edificio. Además, la impregnación hidrofóbica resultó eficaz para reducir los impactos sociales, ya que requiere menos intervenciones durante la fase de mantenimiento, lo que disminuye los riesgos laborales y los costes sociales asociados.

El estudio también subraya la importancia de adoptar un enfoque holístico en la evaluación de la sostenibilidad. En lugar de centrarse solo en los aspectos económicos o ambientales, los autores emplearon un método de toma de decisiones multicriterio que integra estos factores con el impacto social. De hecho, la investigación reveló que una opción basada en el uso de cemento sulforresistente logró un aumento del 86 % en su calificación de sostenibilidad en comparación con el diseño de referencia.

Implicaciones y conclusiones

Este trabajo tiene importantes implicaciones para el diseño y el mantenimiento de infraestructuras en entornos expuestos a condiciones agresivas. Los autores sugieren que el enfoque tradicional, que a menudo se centra en minimizar los costes iniciales de construcción, debe reorientarse hacia una estrategia a largo plazo que considere todo el ciclo de vida de la estructura. De este modo, no solo se puede garantizar la viabilidad económica, sino también la reducción del impacto ambiental y social de las construcciones.

Además, el estudio pone de relieve la necesidad de promover políticas y normativas que incentiven el uso de materiales duraderos y de métodos de mantenimiento preventivo, especialmente en zonas costeras, donde los edificios son particularmente vulnerables a la corrosión. El uso de métodos modernos de construcción (MMC) y la evaluación integral del ciclo de vida podrían ser claves para cumplir con los objetivos de sostenibilidad globales y garantizar la durabilidad de las infraestructuras frente a los desafíos ambientales futuros.

Referencia:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2024). Sustainable preventive maintenance of MMC-based concrete building structures in a harsh environment. Journal of Building Engineering, 95:110155. DOI:10.1016/j.jobe.2024.110155

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Os dejo un podcast en inglés sobre este artículo. Espero que os guste.

Torres distribuidoras de hormigón: placing boom

Figura 1. Torre distribuidora de hormigón. https://socomaq.com/?product=placing-boom-truemax

Las torres distribuidoras de hormigón (TDH) o plumas de colocación estacionarias, también conocidas como placing boom, son brazos hidráulicos que complementan el funcionamiento de las bombas estacionarias, lo que permite distribuir el hormigón de manera eficiente en elementos como losas, pilares o muros de edificios. Estas estructuras permiten acceder a zonas de difícil alcance sin necesidad de utilizar otros recursos esenciales en la obra, como la grúa pluma, lo que optimiza la colocación del hormigón en obras de gran altura.

Los modelos más demandados tienen brazos de 28 y 32 metros de longitud, lo que les permite colocar hormigón en superficies de 2810 y 3215 m², respectivamente, y reproducen con precisión el movimiento de una mano. La altura de la torre varía según el modelo y suele oscilar entre 20 y 24 metros, para adaptarse a las necesidades específicas de cada proyecto. Los brazos articulados suelen tener entre tres y cuatro secciones, lo que les confiere flexibilidad y alcance, y pueden girar 360° para cubrir toda el área de trabajo. Los motores eléctricos que accionan el sistema tienen una potencia de entre 11 y 15 kW y el peso total de la torre oscila entre 4000 y 6200 kg.

Estas torres ahorran tiempo y dinero gracias a su fácil y rápida conversión de camión a torre, mejoran la seguridad en el trabajo y brindan mayor flexibilidad al contratista. Entre sus principales ventajas se encuentran la velocidad de cobertura programable y la alta precisión en la colocación del hormigón, lo que reduce la necesidad de limpiar los encofrados y contribuye a prolongar su vida útil. Al operar de manera autónoma, las TDH permiten distribuir el hormigón sin depender de otros equipos, lo que aumenta la eficiencia y la seguridad en la obra.

Estos equipos constan de una columna que puede ascender mediante un sistema hidráulico autotrepante e integrarse en la estructura de hormigón armado. En la parte superior, el brazo articulado cuenta con una tubería interna que transporta el hormigón bombeado desde la base hasta el distribuidor, garantizando un flujo continuo y controlado. Al combinarse con una bomba de alimentación ubicada en la base del edificio, estas torres permiten colocar grandes volúmenes de hormigón de manera segura y rentable y se adaptan a estructuras cada vez más altas, complejas e innovadoras.

Figura 2. Placing boom. https://hormigonaldia.ich.cl/maquinarias/torres-de-distribucion-de-hormigon-rapidez-y-eficiencia-en-altura/

Os dejo algunos vídeos sobre este tipo de maquinaria para la colocación de hormigón. Espero que os sean de interés.

Referencias:

ACI COMMITTEE 304. Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete. ACI 304R-00.

BUSTILLO, M. (2008). Hormigones y morteros. Fueyo Editores, Madrid, 721 pp.

CALAVERA, J.et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

CORMON, P. (1979). Fabricación del hormigón. Editores Técnicos Asociados, Barcelona, 232 pp.

FERNÁNDEZ CÁNOVAS, M. (2004). Hormigón. 7ª edición, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Servicio de Publicaciones, Madrid, 663 pp.

GALABRU, P. (1964). Tratado de procedimientos generales de construcción. Obras de fábrica y metálicas. Editorial Reverté, Barcelona, 610 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València.

MONTERO, E. (2006). Puesta en obra del hormigón. Exigencias básicas. Consejo General de la Arquitectura Técnica de España, Madrid, 750 pp.

MORILLA, I. (1992). Plantas de fabricación de hormigón y grava-cemento. Monografías de maquinaria. Asociación Española de la Carretera, Madrid.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

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Mantenimiento preventivo sostenible de estructuras de edificios de hormigón tipo MMC en un entorno adverso

Acaban de publicarnos en la revista Journal of Building Engineering, que está en el primer decil del JCR, un artículo sobre el mantenimiento preventivo y sostenible de los métodos modernos de construcción en entornos hostiles. Estos métodos, conocidos como “construcción inteligente“, son alternativas a la construcción tradicional. El gobierno del Reino Unido utilizó este término para describir una serie de innovaciones en la construcción de viviendas, la mayoría de las cuales se basan en tecnologías de construcción en fábrica. Este concepto abarca una amplia gama de tecnologías basadas en la fabricación modular, ya sea en el lugar de construcción o en otra ubicación, y está revolucionando la forma en que se construyen edificios de manera más rápida, rentable y eficiente. También se conoce comúnmente como construcción “off-site”. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación HYDELIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La industria de la construcción desempeña un papel significativo en la presión medioambiental, atribuida principalmente a su elevado consumo de recursos, impulsado, sobre todo, por el auge de la construcción residencial. Los Métodos Modernos de Construcción (MMC) representan un paradigma innovador para diseñar y construir infraestructuras y edificios de manera más eficiente, combinando materiales convencionales con técnicas no convencionales. El artículo pretende aplicar este enfoque a una estructura de edificación basada en MMC, minimizando el impacto de su ciclo de vida mediante la optimización del consumo de materiales de construcción, con especial atención a los efectos de la fase de mantenimiento desde una perspectiva preventiva. Este estudio se centra en la evaluación de la sostenibilidad de los forjados planos de hormigón armado que emplean un sistema de cuerpo estructural hueco, haciendo hincapié explícitamente en los factores de agresividad ambiental que contribuyen a la corrosión, como la carbonatación y los cloruros. La investigación explora diez opciones de diseño para un edificio residencial público frente al mar, examinando su impacto en la economía, el medio ambiente e incluso la sociedad en lo que respecta a los ciclos de mantenimiento necesarios a lo largo de la vida útil de la estructura, en función de la estrategia preventiva empleada para cada diseño. Para evaluar la sostenibilidad de estas opciones, los investigadores emplearon una combinación del método del mejor-peor (BWM) y la técnica VIKOR, considerando nueve criterios relacionados con la sostenibilidad. El estudio concluyó que el hormigón con un 5% de humo de sílice es la opción más rentable y respetuosa con el medio ambiente, y que la impregnación hidrófoba reduce el impacto social. Sin embargo, en comparación con las evaluaciones unidimensionales y bidimensionales, el estudio demuestra la importancia de considerar simultáneamente los impactos económicos, medioambientales y sociales del ciclo de vida de un diseño para lograr la sostenibilidad en el mantenimiento con una visión holística. Este enfoque condujo a una calificación de sostenibilidad un 86% más alta para un diseño que utilizaba cemento sulforresistente en la mezcla de hormigón que la opción de partida.

Aspectos destacables:

  • El estudio evalúa el impacto en el ciclo de vida de diez opciones de diseño mejoradas para un módulo hotelero de tres pisos en un entorno costero, con el objetivo de mejorar la durabilidad y reducir las necesidades de mantenimiento a lo largo de la vida útil de la estructura.
  • Los resultados óptimos se obtienen del intervalo de mantenimiento preventivo, lo que hace hincapié en la importancia de las estrategias de mantenimiento proactivo para mejorar la sostenibilidad y la longevidad de las estructuras de construcción de hormigón basadas en MMC.
  • El documento proporciona evaluaciones exhaustivas del ciclo de vida según las normas ISO 14040, que abordan las tres dimensiones simultáneamente, ofreciendo una visión holística del desempeño en materia de sostenibilidad en los proyectos de construcción.
  • Al centrarse en el mantenimiento preventivo, la investigación destaca el potencial de obtener beneficios ambientales y económicos a lo largo de 50 años, ya que contribuye a la sostenibilidad general de las estructuras de los edificios en entornos hostiles.
  • Al incorporar las opiniones de expertos mediante el método de toma de decisiones multicriterio de BMW, el estudio ofrece un análisis completo de diversos aspectos de la sostenibilidad en los proyectos de construcción, promoviendo prácticas de toma de decisiones sostenibles en la industria.
  • Los resultados subrayan la importancia de la toma de decisiones sostenibles en la construcción, en consonancia con los esfuerzos mundiales para reducir el impacto ambiental y promover prácticas ecológicas en la industria.
  • La investigación hace hincapié en la importancia de las estrategias de mantenimiento preventivo sostenibles para mejorar la longevidad y la sostenibilidad de las estructuras de hormigón basadas en el MMC, y destaca los beneficios de los enfoques de mantenimiento proactivo.

Podéis descargar el artículo gratuitamente al tratarse de una publicación de acceso abierto:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352710224017236

Abstract:

The construction industry plays a significant role in environmental strain, mainly due to its substantial resource consumption, driven by the surge in residential construction. Modern Methods of Construction (MMC) presents an innovative paradigm for designing and constructing infrastructure and buildings more efficiently, using conventional materials with unconventional techniques. The article aims to apply this approach to an MMC-based building structure, minimizing its life-cycle impact by optimizing material consumption, with particular attention to the effects of the maintenance phase from a preventive perspective. This study focuses on assessing the sustainability of reinforced concrete flat slabs employing a hollow structural body system, explicitly emphasizing environmental aggressiveness factors that contribute to corrosion, such as carbonation and chlorides. The research explores ten design options for a waterfront public residential building, examining their impact on the economy, the environment, and even society, regarding the maintenance cycles required over the structure’s lifetime, depending on the preventive strategy employed for each design. To assess the sustainability of these options, researchers used a combination of the best-worst method (BWM) and the VIKOR technique, considering nine sustainability criteria. The study found that 5% silica fume concrete is the most cost-effective and environmentally friendly option, with hydrophobic impregnation reducing social impacts. However, compared to one— and two-dimensional evaluations, the study demonstrates the importance of simultaneously considering a design’s life cycle’s economic, environmental, and social impacts to achieve sustainability in maintenance with a holistic view. This approach led to an 86% higher sustainability rating for a design using sulforesistant cement in the concrete mix than the baseline.

Keywords:

Modern Methods of Construction; Life Cycle Assessment; Sustainable design; Multi-criteria Decision-making; Preventive maintenance; Corrosion

Reference:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2024). Sustainable preventive maintenance of MMC-based concrete building structures in a harsh environment. Journal of Building Engineering,95:110155. DOI:10.1016/j.jobe.2024.110155

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Toma de decisiones para la evaluación, selección y rehabilitación de edificios

Acaban de publicarnos un artículo en la revista científica Journal of Civil Engineering & Management (indexada en el JCR, Q1) un artículo que analiza el uso de la toma de decisiones con criterios múltiples (MCDM) para evaluar y modernizar edificios, centrándose en la integración de los criterios de seguridad y sostenibilidad. Asimismo, identifica los métodos MCDM más comunes, como el AHP, el SAW y el TOPSIS, y ofrece recomendaciones para futuras investigaciones a fin de mejorar los procesos de toma de decisiones en la renovación de edificios. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Las contribuciones más importantes de este trabajo son las siguientes:

  • El documento realiza una revisión exhaustiva de la literatura sobre los métodos de toma de decisiones con criterios múltiples (MCDM) para evaluar, seleccionar y modernizar edificios, haciendo hincapié en la integración de los criterios de seguridad y sostenibilidad.
  • Aborda la necesidad de realizar evaluaciones con múltiples objetivos en la modernización sostenible para demostrar la sostenibilidad tanto a corto como a largo plazo, colmando así un vacío de conocimiento en el campo de la seguridad estructural y la sostenibilidad de los edificios existentes.
  • El estudio evalúa la tendencia actual de utilizar los MCDM para integrar las tres dimensiones de la sostenibilidad con la seguridad estructural, destacando el potencial de las aplicaciones de los MCDM en la toma de decisiones en los ámbitos de la ingeniería civil, la construcción, la tecnología de la construcción y la sostenibilidad.
  • La investigación tiene como objetivo proporcionar información sobre la evaluación, la selección y la modernización de edificios sostenibles y seguros, y ofrece recomendaciones para futuras investigaciones a fin de mejorar las soluciones de toma de decisiones para integrar los aspectos de seguridad y sostenibilidad en los edificios existentes.

Las conclusiones del artículo son las siguientes:

  • El estudio revisa 91 artículos sobre la evaluación, la selección y la modernización de edificios mediante métodos de toma de decisiones basados en criterios múltiples, lo que indica el creciente interés de la comunidad científica por esta área.
  • Los investigadores se centran en los edificios públicos, en particular en las escuelas y los edificios históricos, e integran las consideraciones económicas y sociales al evaluar los edificios vulnerables y las opciones de modernización.
  • El enfoque actual hace hincapié en la integración en cuatro dimensiones de los aspectos de seguridad, económicos, sociales y ambientales en la modernización de edificios, aunque los criterios específicos para cada dimensión carecen de consenso.
  • El proceso analítico jerárquico (AHP) se utiliza ampliamente para la ponderación de los criterios, mientras que el método TOPSIS es el preferido para integrar los criterios de sostenibilidad y seguridad en la modernización de edificios.
  • El estudio destaca la necesidad de seguir investigando para abordar la subjetividad en la toma de decisiones, incorporar el análisis del ciclo de vida y explorar nuevos sistemas de gestión multifuncional para mejorar la integración de la seguridad y la sostenibilidad en las evaluaciones y modernizaciones de los edificios.

Abstract:

Multiple criteria decision-making (MCDM) has experienced significant growth in recent years, owing to its capacity to integrate even contradictory criteria. This study conducted a comprehensive literature review of MCDM for assessing, selecting, and retrofitting buildings. The bibliometric search used a search algorithm in specialized databases. A filtering and expansion process was done by reviewing references, and 91 relevant articles were selected. The analysis revealed that in a group of studies, socioeconomic criteria were used to assess the vulnerability of buildings. On the other hand, some research integrated the three dimensions of sustainability (economic, social, and environmental) along with safety considerations when identifying optimal retrofit alternatives. Classic MCDMs are prevalent in research within this field. Among the most used methods, the Analytic Hierarchy Process (AHP) was employed for criteria weighting, Simple Additive Weighting (SAW) for constructing vulnerability indices, and Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) for building retrofitting. This literature review contributes to the path toward a holistic renovation of the existing building stock, providing recommendations for future research to improve decision-making solutions for integrating the safety and sustainability of existing buildings.

Keywords:

Decision-making, MCDM, multi-criteria, retrofit, structural assessment, sustainability, vulnerability

Reference:

VILLALBA, P.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2024). A review of multi-criteria decision-making methods for building assessment, selection, and retrofit. Journal of Civil Engineering and Management, 30(5):465-480. DOI:10.3846/jcem.2024.21621

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Evaluación de alternativas para la rehabilitación de pilares de hormigón armado en zona sísmica

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Cleaner Production, revista indexada en el primer decil del JCR. El trabajo evalúa las alternativas de reacondicionamiento de columnas de hormigón armado en una región de alto riesgo sísmico, comparando, el recrecimiento de la sección de hormigón, el encamisado de acero y el refuerzo con fibra de carbono. El estudio destaca la importancia de tener en cuenta todas las etapas en la evaluación del ciclo de vida a la hora de rehabilitar edificios, incluidas las consideraciones de diseño, pruebas, construcción, uso y final de la vida útil. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Las contribuciones de este trabajo de investigación son las siguientes:

  • Evalúa las alternativas de reacondicionamiento de columnas de hormigón armado en una región de alto riesgo sísmico, comparando el recrecido de hormigón, el encamisado de acero y el refuerzo con fibra de carbono.
  • Realiza un análisis exhaustivo para evaluar los impactos económicos y ambientales mediante evaluaciones del ciclo de vida.
  • Presenta una jerarquía estructurada de criterios e indicadores para la evaluación de las opciones de modernización, lo que ayuda a los técnicos y a los responsables de la toma de decisiones.
  • El encamisado de acero se consideran la mejor opción debido a su rendimiento equilibrado en todos los criterios, mientras que los recrecidos de hormigón se consideran menos favorables debido a su elevado impacto ambiental y funcional. La rehabilitación con fibra de carbono es una alternativa viable con un menor impacto medioambiental y una mayor funcionalidad, a pesar de los importantes costes de las materias primas.

Abstract

The critical earthquakes of the last few years highlight the urgent seismic retrofitting of existing buildings due to their aging or inadequate design. This paper aims to evaluate reinforced concrete column retrofit alternatives in a region of high seismic risk. When deciding between various building retrofit options, significant economic, environmental, and functional factors must be considered. The study uses a cradle-to-grave analysis to examine the economic and environmental impacts through life cycle assessments. Specifically, the life-cycle performance of three classic alternatives for rehabilitating columns lacking adequate confinement is compared: concrete jacketing, steel jacketing, and carbon fiber incorporation. The research adopts a holistic approach using multi-criteria decision-making methods, integrating economic, environmental, and functional criteria. A set of criteria and indicators is presented in a structured hierarchy that facilitates the orderly evaluation of alternatives. The results suggest that steel jacketing is preferred, as it presents a balanced performance in most criteria. The incorporation of carbon fiber is viable due to its low environmental and functional impact, although the high production costs of the raw materials limit it. In contrast, concrete jacketing has the highest environmental and functional impacts, making it the least favorable option. The results of this study will provide relevant information for engineers and decision-makers to select the most suitable options for building retrofit when considering several simultaneous perspectives.

Keywords: 

Construction, CFRP, Decision making, Life cycle assessments, MCDM, Retrofit, Sustainable design.

Reference:

VILLALBA, P.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2024). Life cycle evaluation of seismic retrofit alternatives for reinforced concrete columns. Journal of Cleaner Production, 455:142290. DOI:10.1016/j.jclepro.2024.142290

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Necesidad del curado del hormigón

Figura 1. Curado del hormigón. https://ingeniero-de-caminos.com/curado-del-hormigon/

El término “curado”, según la DRAE, significa endurecido, seco, fortalecido o curtido. En el ámbito del hormigón, se refiere a las acciones tomadas para facilitar la hidratación del cemento. Esto implica prevenir la pérdida de humedad del hormigón por evaporación y, si es necesario, proporcionar humedad adicional. Además, se busca mantener una temperatura favorable durante el fraguado y los primeros días de endurecimiento.

Si el hormigón se dejara secar al aire, su resistencia podría disminuir hasta en un 40 %, al tiempo que aumentaría la porosidad y la probabilidad de fisuras debido a la retracción. Los métodos empleados en el proceso de curado deben ser suficientes para evitar la desecación del hormigón, promover un adecuado endurecimiento, prevenir la fisuración debido a la contracción térmica y hacer que el hormigón sea resistente a las heladas prematuras.

Durante la hidratación del cemento, los granos se cubren con un gel de cemento, un producto de la reacción que forma una red que une los granos de cemento anhidro. El agua necesaria para la hidratación del cemento Portland es igual a 0,45 veces la masa de cemento hidratado. Esta cantidad se divide entre el agua químicamente combinada (equivalente a 0,25 veces la masa de cemento) y el agua adsorbida en las superficies y espacios de la estructura del gel (0,20 veces la masa de cemento).

Es importante señalar que la hidratación solo ocurre en un entorno casi saturado de agua. Por lo tanto, es necesario agregar agua adicional (durante el proceso de curado) para mantener saturados los poros capilares de la pasta. De esta manera, el cemento continuará hidratándose hasta que todo el espacio disponible se llene con los productos de la reacción o hasta que se complete la hidratación de todo el cemento.

El desarrollo de la resistencia y durabilidad del hormigón radica en el relleno de los poros entre las partículas de cemento con los productos de la hidratación. Esto se consigue partiendo de un volumen inicial de poros muy reducido, lo que se logra con una baja relación agua/cemento (a/c) y con un curado húmedo que permita hidratar una cantidad significativa de cemento.

Si el agua de amasado supera considerablemente la cantidad necesaria para la hidratación, es crucial garantizar que no se evapore durante el proceso de curado. En casos donde la proporción inicial de agua es menor, será necesario un curado adicional con agua para mantener la hidratación. Por ello, en hormigones con una relación a/c igual o superior a 0,50, el uso de una membrana impermeable, sin necesidad de agregar agua externa, puede ser un método efectivo de curado.

En el hormigón con baja relación a/c, ocurre el fenómeno de la autodesecación, que implica el secado interno del hormigón debido al consumo de agua durante la hidratación. Este problema suele estar asociado con mezclas de a/c iguales o inferiores a 0,45, para las cuales se requiere un curado húmedo. No obstante, con valores de a/c tan bajos, la permeabilidad de la pasta suele ser tan reducida que el agua aplicada externamente no penetra más allá de la capa superficial, la única que se beneficia del proceso de curado.

Figura 2. Curado mediante láminas para evitar la desecación. https://deepex.net/curado-del-hormigon/

El curado es una etapa fundamental en la producción de elementos de hormigón, ya que tiene una gran influencia en la resistencia y en el resto de las características del producto final. Carecer de un adecuado proceso de curado puede resultar especialmente perjudicial para la durabilidad de la estructura, puesto que esta depende en gran medida de la impermeabilidad de las capas exteriores del hormigón, que son las más sensibles a un curado defectuoso.

Es esencial tener en cuenta que el interior de las piezas (a menos que sean extremadamente delgadas) retiene la humedad durante periodos prolongados y es menos vulnerable a los efectos de un curado deficiente que las capas superficiales. En consecuencia, si el hormigón no recibe un adecuado proceso de curado, la capa de recubrimiento de las armaduras se verá afectada, volviéndose porosa y permeable, lo que significativamente acortará la vida útil de la estructura.

Por lo general, los métodos que suministran agua son más eficaces que aquellos que buscan evitar su evaporación. La duración y la intensidad del proceso de curado dependen principalmente de la temperatura y la humedad ambientales, así como de la acción del viento y la exposición directa al sol. Otros factores importantes son el tipo y la cantidad de cemento, la relación a/c y, especialmente, las condiciones de exposición de la estructura en servicio. A medida que estas condiciones sean más adversas, se requerirá un período de curado más prolongado.

En un artículo anterior, expusimos el uso del nomograma de Menzel para evitar el agrietamiento plástico durante el fraguado del hormigón. Otro artículo de interés es el relativo a la terminación, texturado y curado del pavimento de hormigón.

Figura 3. Nomograma de Menzel.

Os dejo algunos vídeos que os pueden ser de interés.

Referencias:

CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F. (2014). Fabricación, transporte y colocación del hormigón. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, 189 pp.

MENZEL, C.A. (1954). Causes and Prevention of Crack Development in Plastic Concrete. Proceedings of the Portland Cement Association, Vol. 130:136.

LERCH, W. (1957). Plastic shrinkage. ACI Journal, 53(8):797-802.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

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Special Issue: “Energy Efficiency and Innovative Material Application in Sustainable Buildings”

Sustainability (ISSN: 2071-1050) is an international, peer-reviewed, open-access journal on environmental, cultural, economic, and social sustainability of human beings, published semimonthly online by MDPI.

Impact Factor: 3.9 (2022); 5-Year Impact Factor: 4.0 (2022)
Deadline for manuscript submissions: 31 October 2024

Special Issue Editors

Prof. Dr. Víctor Yepes

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Interests: multi-objective optimization; structure optimization; lifecycle assessment; social sustainability of infrastructures; reliability-based maintenance optimization; optimization and decision-making under uncertainty
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Mechanics of Continuous Media and Theory of Structures Department, Universitat Politècnica de València, 46022 Valencia, Spain
Interests: multi-objective optimization; structure optimization; lifecycle assessment; social sustainability of infrastructures; metamodels

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Dear Colleagues:

The Special Issue “Energy Efficiency and Innovative Material Application in Sustainable Buildings” focuses on advancing energy-efficient practices and novel materials in construction, crucial for global sustainability. Buildings account for significant energy use and carbon emissions, necessitating innovations to enhance efficiency and reduce environmental impact. This Special Issue aims to facilitate interdisciplinary dialogue and to highlight cutting-edge research in sustainable architecture and engineering. Aligned with the journal’s scope, it seeks to inspire professionals while promoting sustainable design and construction excellence. Key themes include energy-efficient design, innovative materials, intelligent building technologies, lifecycle assessment, and case studies illustrating best practices. Through these avenues, this Special Issue aims to contribute to a more sustainable and resilient built environment, addressing critical challenges and fostering progress towards a greener future.

In this Special Issue, original research articles and reviews are welcome. Research areas may include (but are not limited to) the following:

  • Energy-Efficient Building Design and Retrofitting;
  • Nanotechnology Applications for Energy-Efficient Building Materials;
  • Integration of Renewable Energy Systems in Urban Buildings;
  • Sustainable Concrete Solutions for Green Construction;
  • Emerging Trends in Energy-Efficient HVAC Systems;
  • Smart Building Systems and Technologies ;
  • Circular Economy Approaches in Building Material Management;
  • The Role of Artificial Intelligence in Optimizing Building Energy Performance;
  • Innovations in Daylighting and Natural Ventilation Strategies;
  • Net-Zero Energy Building Case Studies: Lessons Learned and Future Directions;
  • Case Studies and Best Practices;
  • Regenerative Design in Architecture and Construction.

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Keywords

  • energy efficiency
  • innovative materials
  • sustainable buildings
  • smart buildings
  • green construction
  • circular economy

Encofrados flexibles textiles

Figura 1. Casa Pascual de Juan en La Moraleja, (Madrid), obra de Miguel Fisac. Fuente: https://arquitecturaviva.com/obras/casa-pascual-de-juan-en-la-moraleja-madrid

En los encofrados flexibles, el hormigón se confina mediante una combinación de elementos rígidos de soporte y una membrana que únicamente resiste tracciones. Mediante la fijación de un material textil sobre un soporte de madera, el hormigón vertido adopta la forma preestablecida por el material. Así, al recibir el hormigón fresco, la membrana la contiene y adopta una forma gravitacional.

En este contexto, lo particular de esta tecnología radica en el uso de una tela que puede resistir el hormigón hasta que este complete su curado. En la actualidad, en el mercado de la construcción, se encuentran disponibles los geotextiles, los cuales poseen alta resistencia y coste competitivo, convirtiéndolos en una opción para emplearse como encofrados flexibles. Estos textiles se distinguen además por su ligereza y su reducido volumen, lo que los hace adecuados emplearse en proyectos que requieran largos desplazamientos.

Al reemplazar los tradicionales encofrados prismáticos con un material flexible compuesto por láminas textiles de alta resistencia y bajo costo, es posible aprovechar la fluidez del hormigón para construir formas altamente optimizadas y de interés arquitectónico.

A partir de finales de la década de 1960, Miguel Fisac empleó los encofrados flexibles sujetos con elementos que alteran su superficie, moldea el hormigón, el cual al fraguar adquiere una apariencia lisa con una textura singular. Esta técnica encuentra aplicación especialmente en las fachadas de numerosos edificios. El material, que evoluciona en formas y acabados con el tiempo, se convierte desde entonces en un elemento distintivo y destacado que define su identidad arquitectónica. Este tipo de encofrado proporciona al hormigón una apariencia redondeada y suave, evocando la sensación de un material aún fluido.

Los encofrados textiles permiten obtener estructuras que requieren hasta un 40% menos de hormigón que una sección prismática equivalente, lo que representa un ahorro notable en términos de sostenibilidad. Existen áreas prometedoras para futuros desarrollos, tales como modelos informáticos de cálculo, el uso de textiles avanzados como encofrados colaborativos, el pretensado y la implementación de estructuras aligeradas con huecos.

En el vídeo que podéis ver a continuación vemos una forma innovadora de usar este tipo de encofrados.

Os dejo a continuación un par de documentos de interés sobre este tipo de encofrados.

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Referencias:

AFECI (2021). Guía sobre encofrados y cimbras. 3ª edición, Asociación de fabricantes de encofrados y cimbras, 76 pp.

ANDECE (2020). Guía técnica. Elementos prefabricados de hormigón para obras de ingeniería civil, 86 pp.

CALAVERA, J. et al. (2004). Ejecución y control de estructuras de hormigón. Intemac, Madrid, 937 pp.

PEURIFOY, R.L. (1967). Encofrados para estructuras de hormigón. McGraw-Hill y Ediciones Castillo, Madrid, 344 pp.

RICOUARD, M.J. (1980). Encofrados. Cálculo y aplicaciones en edificación y obras civiles. Editores Técnicos Asociados, S.A. Barcelona, 312 pp.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

YEPES, V. (2024). Estructuras auxiliares en la construcción: Andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 408 pp. Ref. 477. ISBN: 978-84-1396-238-2

Cursos:

Curso de estructuras auxiliares en la construcción: andamios, apeos, entibaciones, encofrados y cimbras.

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

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