Hardy Cross fue un ingeniero de estructuras estadounidense que nació el 10 de febrero de 1885 en la plantación familiar ubicada en el condado de Nansemond, cerca del Gran Pantano Dismal, en Virginia. Falleció el 11 de febrero de 1959, en Virginia Beach (Virginia, EE. UU.).
Tanto él como su hermano, Tom Peete, se educaron en la Norfolk Academy de Norfolk, Virginia. Posteriormente, ambos ingresaron en el Hampden-Sydney College, donde Cross obtuvo sus títulos de Bachelor of Arts (B.A.) en 1902 y Bachelor of Science (B.S.) en 1903, antes de cumplir los 18 años.
Durante los tres años siguientes, enseñó inglés y matemáticas en la Academia Norfolk. A la edad de tan solo 23 años, consiguió un Bachelor of Science en ingeniería civil en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (M.I.T.), donde se graduó en Ingeniería Civil en tan solo dos años. En 1911, la Universidad de Harvard le otorgó el título de máster en ingeniería civil.
Entonces comenzó su carrera como docente. Su primer nombramiento fue en la Universidad de Brown, donde enseñó durante siete años, entre 1911 y 1918. Fuera del aula, trabajó como ingeniero de puentes para el Missouri Pacific Railroad, colaborando con destacados consultores en ingeniería civil especializados en estructuras e ingeniería hidráulica. Además, en 1920 trabajó como ingeniero asistente para Charles T. Main. Tras un breve regreso a la práctica de la ingeniería en general, en 1921 aceptó un puesto como profesor de ingeniería estructural en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Desde 1937 hasta obtener el estatus de profesor emérito en 1951, enseñó e investigó en la Universidad de Yale, donde también fue jefe del Departamento de Ingeniería Civil.
Como docente, Hardy Cross fue un firme defensor de los exámenes orales para los candidatos a grados avanzados y participaba frecuentemente en debates sobre esta cuestión. Insistió en la gran responsabilidad individual de los profesores y en su desprecio por lo superficial en la enseñanza. Escribió el libro “Ingenieros y torres de marfil”, donde aborda magistralmente temas relacionados con la enseñanza y el ejercicio de la ingeniería civil.
Recibió numerosos reconocimientos. Entre ellos, destacan el grado honorífico de Maestro de Artes de la Universidad de Yale, la medalla Lamme de la Sociedad Americana para la Educación en Ingeniería (1944), la medalla Wason del Instituto Americano del Hormigón (1935) y la medalla de oro del Instituto de Ingenieros Estructurales de Gran Bretaña (1959).
En la edición de mayo de 1930 de los Proceedings of the American Society of Civil Engineers (ASCE), Hardy Cross resolvió un problema aparentemente irresoluble de la teoría de estructuras. Su genialidad radicó en calcular sistemas estáticamente indeterminados mediante un método iterativo que utilizaba la forma más sencilla de aritmética (Cross, 1930).
El método de Cross era ideal para analizar sistemas con un alto grado de indeterminación estática, como suele ocurrir en el diseño de edificios de gran altura. Con este aporte, Cross puso fin a la búsqueda que había caracterizado la fase de aplicación de la teoría de estructuras: encontrar métodos de cálculo adecuados para resolver sistemas con elevada indeterminación estática de forma racional.
El método de Cross no solo marcó el inicio de una algoritmización sin precedentes del análisis estructural en el siglo XX, sino que también llevó la racionalización de los cálculos estructurales a un nuevo nivel. Por tanto, no es de extrañar que tras su trabajo apareciera una avalancha de extensos artículos de discusión en las Transactions de la ASCE (Cross, 1932). Su ingenioso método iterativo provocó que innumerables ingenieros, incluso durante la fase de innovación de la teoría de estructuras, describieran y desarrollaran aún más el método de Cross. Nunca antes un artículo en el campo de la teoría de estructuras había generado un debate tan amplio. En su trabajo, Cross proponía abandonar las soluciones exactas de la teoría de estructuras y sustituirlas por un enfoque más cercano a la realidad. Favorecía los métodos de análisis estructural que combinaran una precisión aceptable con cálculos rápidos.
El progreso infinito (en el sentido del valor límite) inherente a los símbolos de la teoría formalizada del cálculo diferencial e integral fue reemplazado por el progreso finito del trabajo del calculista. Solo era cuestión de tiempo antes de que este trabajo se mecanizara. Pocos años después, Konrad Zuse (1910-1995) utilizaría una máquina similar: la «máquina de cálculo del ingeniero» (Zuse, 1936).
El método de Cross, también conocido como método de distribución de momentos, se concibió para el cálculo de grandes estructuras de hormigón armado. Este método se utilizó con frecuencia entre 1935 y 1960, momento en que fue sustituido por otros métodos. Gracias a él, fue posible diseñar de manera eficiente y segura un gran número de construcciones de hormigón armado durante una generación entera.
Cross representa un enfoque tipo Henry Ford en la producción de cálculos estructurales durante la transición al periodo de integración de dicha teoría. No es de extrañar que se publicaran innumerables trabajos sobre su método hasta bien entrada la década de 1960.
De hecho, se ha escrito tanto sobre este tema que fácilmente llenaría la biblioteca privada de tamaño medio de cualquier académico. Además, el método de Cross no se limitó a la teoría de estructuras, sino que fue rápidamente adoptado en disciplinas como la construcción naval y el diseño de aeronaves.
El propio Cross trasladó la idea básica de su método iterativo al cálculo de flujos estacionarios en sistemas de tuberías, dando origen al «método Hardy-Cross», lo que supuso un avance fenomenal en este ámbito. Los reconocimientos que recibió a lo largo de su carrera son innumerables.
Principales contribuciones a la teoría de estructuras:
Analysis of continuous frames by distributing fixed-end moments [1930].
Analysis of continuous frames by distributing fixed-end moments [1932/1].
Continuous Frames of Reinforced Concrete [1932/2].
Analysis of continuous frames by distributing fixed-end moments [1949].
Engineers and Ivory Towers [1952].
Arches, Continuous Frames, Columns and Conduits: Selected Papers of Hardy Cross [1963].
Acaban de publicar nuestro artículo en la revista del primer decil del JCR Mathematics. El artículo presenta un método innovador para optimizar el diseño de puentes mixtos de acero y hormigón mediante un enfoque basado en la teoría de juegos. Este enfoque integra criterios de sostenibilidad económica, ambiental y social con la simplicidad constructiva, abordando de manera simultánea múltiples objetivos que suelen ser conflictivos en proyectos de infraestructura. La principal contribución radica en la aplicación de un método de optimización multiobjetivo (MOO) que permite equilibrar los tres pilares de la sostenibilidad, empleando el Análisis del Ciclo de Vida (LCA) para evaluar el impacto durante todo el ciclo de vida del puente, desde su fabricación hasta su desmantelamiento.
Destaca la implementación de una versión discreta del algoritmo Seno-Coseno (SCA), adaptada específicamente para resolver problemas de diseño estructural. Esta metodología no solo garantiza un diseño eficiente en términos de coste y sostenibilidad, sino que también proporciona una solución práctica que facilita la construcción al reducir los refuerzos en las losas superiores y realizar ajustes geométricos estratégicos. Este enfoque supone un avance en el campo de la ingeniería civil, ya que combina técnicas matemáticas avanzadas con consideraciones prácticas del sector. Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.
La metodología descrita combina la teoría de juegos con un enfoque cooperativo, en el que los diferentes objetivos (coste, impacto ambiental, impacto social y facilidad constructiva) se representan como «jugadores». Estos jugadores colaboran para encontrar soluciones óptimas dentro del conjunto de soluciones Pareto-óptimas, utilizando el concepto de equilibrio de Nash y reglas de negociación.
El algoritmo Seno-Coseno (SCA) modificado desempeña un papel fundamental en este proceso, ya que permite gestionar variables discretas y restricciones estructurales mediante funciones de transferencia en forma de tangente hiperbólica. Además, se emplea la teoría de la entropía para asignar pesos objetivos, lo que asegura un equilibrio justo entre los criterios y minimiza la subjetividad en la toma de decisiones.
Los resultados muestran que la metodología basada en la teoría de juegos permite reducir el refuerzo de las losas superiores del puente y optimizar el uso de materiales sin comprometer la resistencia estructural. En comparación con un enfoque de optimización monoobjetivo centrado exclusivamente en costes, el método propuesto aumenta los costes en un 8,2 %, pero mejora sustancialmente los impactos ambientales y sociales asociados al diseño.
El estudio revela que, mediante la redistribución del material estructural, es posible mantener la rigidez necesaria en las secciones transversales del puente. En concreto, se observa un aumento en el uso de acero estructural en lugar de acero de refuerzo, lo que simplifica la construcción al reducir la cantidad de barras necesarias y, por ende, el tiempo de instalación y vibrado del hormigón. Este cambio también contribuye a mejorar la calidad del producto final, ya que reduce los errores constructivos y optimiza el tiempo de ejecución.
El análisis demuestra que las soluciones obtenidas mediante métricas de distancia Minkowski (L1, L2 y L∞) proporcionan diseños equilibrados que logran compromisos efectivos entre coste, sostenibilidad y facilidad constructiva. Estas soluciones son comparables a estudios previos en términos de costes, pero ofrecen beneficios adicionales al incluir una evaluación más integral de los impactos sociales y ambientales.
El enfoque presentado abre la puerta a diversas áreas de investigación. Una línea de investigación prometedora es la aplicación de algoritmos híbridos que combinen la teoría de juegos con otras metaheurísticas, como redes neuronales o algoritmos genéticos, para mejorar la exploración y explotación del espacio de soluciones. Esto podría reducir el tiempo de computación y permitir su aplicación a problemas más complejos.
Otra posible dirección de investigación sería ampliar el modelo para incluir criterios como la resiliencia ante desastres naturales o la evaluación de riesgos a largo plazo. También se podría explorar la incorporación de nuevos indicadores sociales, como el impacto en las comunidades locales durante la construcción y operación del puente, lo que ampliaría la evaluación de sostenibilidad. Asimismo, sería interesante aplicar esta metodología a otros tipos de estructuras, como edificios o infraestructuras de transporte masivo, para evaluar su viabilidad y adaptar el enfoque a diferentes contextos.
En definitiva, el artículo proporciona una herramienta muy valiosa para abordar los desafíos de sostenibilidad y eficiencia en el diseño de infraestructuras civiles. La combinación de la teoría de juegos y la optimización multiobjetivo es efectiva para equilibrar criterios complejos y conflictivos, y ofrece soluciones prácticas, sostenibles y viables desde el punto de vista económico y constructivo. Aunque computacionalmente intensivo, este enfoque establece una base sólida para futuras investigaciones y aplicaciones en el campo de la ingeniería civil, lo que permite avanzar en la evaluación integral de la sostenibilidad y en la mejora de los procesos de diseño estructural.
En los artículos de este blog sobre resiliencia y cambio climático que estoy escribiendo, me centraré en los aspectos relacionados con la resiliencia comunitaria.
Acontecimientos como las inundaciones catastróficas ocurridas en la provincia de Valencia el 29 de noviembre de 2024 ponen de manifiesto la importancia de estas ideas.
Estas reflexiones se enmarcan dentro del proyecto RESILIFE que desarrollo en la actualidad como investigador principal, y se han basado en algunas ideas desarrolladas en el trabajo reciente de Ellingwood et al. (2024).
Este artículo trata sobre la resiliencia comunitaria y cómo incorporar los efectos del cambio climático en la planificación y diseño de edificios e infraestructuras a nivel comunitario. Se discuten los desafíos y consideraciones clave para lograr una mayor resiliencia de las comunidades frente a eventos climáticos extremos.
La resiliencia comunitaria es la capacidad para adaptarse a las situaciones adversas, adaptarse a condiciones cambiantes y mantener sus funciones e infraestructuras fundamentales, así como recuperarse rápidamente ante eventos extremos. En este contexto, «comunidad» se refiere a un lugar delimitado por fronteras geográficas que opera bajo la jurisdicción de una estructura de gobernanza, como una ciudad, área metropolitana o región. Es dentro de esta gobernanza local donde se identifican, aprueban, financian y ponen en marcha las decisiones, acciones y proyectos relacionados con la resiliencia. Este concepto subraya la importancia de guiar los procesos adaptativos dentro de la comunidad para preservar su identidad básica y permitir los cambios necesarios con el tiempo. La identidad de una comunidad la forman los valores y prioridades de sus miembros, por lo que los esfuerzos para aumentar la resiliencia deben implicarles en la definición de lo que valoran colectivamente y lo que pretenden proteger (Ellingwood et al., 2024).
Las repercusiones económicas del cambio climático varían mucho, con beneficios potenciales en las regiones templadas a niveles más bajos de calentamiento, pero con pérdidas crecientes a medida que aumentan las temperaturas. Los hogares y los países más pobres pueden experimentar efectos desproporcionados sobre su bienestar, aun cuando sus contribuciones económicas sean menos significativas. Las respuestas de adaptación efectivas, como el desarrollo de infraestructuras resilientes y tecnologías climáticamente inteligentes, pueden ayudar a mitigar estos impactos y mejorar la resiliencia de las comunidades (O’Neill et al., 2022).
El éxito de la resiliencia comunitaria no solo se centra en la recuperación de eventos relacionados con el cambio climático, sino que también abarca una variedad más amplia de retos, incluidos los sociales y económicos. Este concepto influye en las decisiones relativas al entorno construido, que abarca desde instalaciones individuales hasta sistemas de infraestructura regional. Para que la planificación de la resiliencia sea efectiva, es crucial incluir diversas perspectivas de las partes interesadas y comprender los sistemas sociales, políticos y económicos de la comunidad, así como sus vulnerabilidades inherentes (Eisenhauer et al., 2024). El entorno construido abarca todos los sistemas diseñados en una comunidad o región, como edificios, instalaciones y redes de infraestructura. Aunque muchas viviendas unifamiliares no son diseñadas por ingenieros, deben tenerse en cuenta en la evaluación de la resiliencia comunitaria. Este enfoque integrado permite identificar los objetivos de rendimiento de los edificios e infraestructuras y garantizar que las estrategias de resiliencia se adapten a las necesidades específicas de la comunidad.
Para lograr resiliencia a nivel comunitario, los edificios y sistemas de infraestructura deben cumplir los criterios de resiliencia establecidos a nivel local. Esta interdependencia entre escalas diferentes de resiliencia conecta la planificación regional con el diseño de infraestructuras individuales. Para que las instalaciones y los sistemas den un paso adelante y alcancen un desempeño resiliente, es necesario ir más allá de los requisitos de códigos y normas actuales, que se centran principalmente en la seguridad de las personas y en limitar el fallo estructural, especialmente en la recuperación de la funcionalidad. Los edificios e infraestructuras proporcionan refugio, servicios básicos y otros recursos, como escuelas y hospitales, y respaldan instituciones sociales y económicas esenciales para el bienestar de la comunidad.
Para desarrollar planes sólidos de resiliencia comunitaria, es fundamental involucrar a las partes interesadas. Una oficina dedicada a la resiliencia puede garantizar un liderazgo firme y un compromiso coherente entre los agentes locales. Es crucial comprender la identidad y los recursos únicos de la comunidad, así como fomentar la participación de los líderes sociales (Eisenhauer et al., 2024). Incluir las voces de todos los miembros de la comunidad en el proceso de planificación hace que los esfuerzos de resiliencia sean más equitativos y eficaces.
La resiliencia comunitaria se enfrenta a diversas limitaciones que deben abordarse para mejorar su capacidad de adaptación. Entre estas dificultades se encuentran las barreras económicas, los factores sociales y culturales, las limitaciones de capacidad humana, los problemas de gobernanza, los recursos financieros, la accesibilidad a la información, los obstáculos físicos y las influencias climáticas (O’Neill et al., 2022). Reconocer y superar estas limitaciones es fundamental para que las comunidades desarrollen su capacidad de adaptación ante amenazas actuales y emergentes.
Los sectores vulnerables dentro de las comunidades suelen verse afectados de manera desproporcionada por los peligros derivados del cambio climático, como las inundaciones, debido a políticas de uso del suelo, desventajas económicas y otros factores demográficos, como la raza/etnia, el género y la edad. Por lo tanto, los objetivos de resiliencia pueden variar de una comunidad a otra debido a diferencias en las características sociodemográficas, la edad y el estado de los edificios e infraestructuras, así como a los enfoques adoptados para abordar la equidad en los objetivos de resiliencia.
El cambio climático no solo afecta a los medios de subsistencia físicos, sino que también amenaza las estructuras sociales y las prácticas culturales. La erosión del capital social, exacerbada por la degradación de los recursos y la competencia, puede provocar un aumento de la tensión en el seno de las comunidades y entre ellas, lo que puede dar lugar a conflictos y migraciones forzosas. Los grupos vulnerables, como las personas mayores y con discapacidad, se ven afectados de forma desproporcionada por estos cambios, lo que subraya la necesidad de estrategias de adaptación específicas (IPCC, 1997) .
Consideraciones de proyecto para la resiliencia y los impactos climáticos
La consideración de eventos climáticos extremos futuros (como huracanes, olas de calor y precipitaciones intensas) está cobrando una importancia cada vez mayor para las comunidades. Aunque actualmente no se tienen en cuenta en los códigos o normas de construcción, muchas comunidades locales exigen que los efectos climáticos se integren en los proyectos. (Vogel et al., 2016). Además, el cambio climático puede agravar los impactos de los eventos de peligro extremo con el tiempo, no solo al modificar las cargas sobre las estructuras, sino también al afectar a su capacidad debido a procesos de envejecimiento y deterioro. Por ello, es fundamental tener en cuenta la resiliencia y los problemas climáticos en la planificación comunitaria, especialmente en el diseño de edificios e infraestructuras civiles.
El impacto de eventos extremos compuestos (como un tsunami posterior a un terremoto, o marejadas ciclónicas e inundaciones fluviales tras vientos de huracán) también puede intensificarse debido a los efectos climáticos (Bruneau et al., 2017). Actualmente, existe una falta de guías o herramientas suficientes para considerar estos eventos compuestos y su impacto en el entorno construido. Además de predecir peligros futuros, la no estacionariedad de los efectos climáticos en los eventos de peligro requerirá nuevos enfoques para abordar y comunicar la incertidumbre (Cooke, 2015).
El concepto de resiliencia se basa en la funcionalidad, que puede medirse a nivel de edificios, sistemas de infraestructura o comunidades. Por ello, los análisis de resiliencia deben adaptarse a la escala evaluada y utilizar métodos claros para agregar y desagregar información entre diferentes escalas. Las múltiples escalas de análisis de resiliencia también tienen implicaciones para las proyecciones climáticas regionales, en las que pueden ser necesarias proyecciones correlacionadas en lugares específicos.
Los edificios y los sistemas de infraestructura civil se diseñan y mantienen según diversas regulaciones, códigos y mejores prácticas, cada uno con su propia base de diseño y fiabilidad para evaluar el rendimiento (McAllister et al., 2022). Cada sistema tiene distintos objetivos de rendimiento, como la seguridad en edificios frente a eventos poco frecuentes o la interrupción en los servicios de electricidad y agua ante eventos frecuentes. La falta de coordinación genera disparidades en el rendimiento del entorno construido ante un mismo evento de peligro, que aumentan aún más al considerar el desempeño en términos de recuperación. Aunque la fiabilidad mide si se logran los objetivos de rendimiento, se requieren métricas diferentes para evaluar la recuperación de la funcionalidad.
En algunos sistemas, la fase de recuperación se mide en horas (por ejemplo, en los sistemas de distribución eléctrica), mientras que en otros puede medirse en meses (por ejemplo, en la reparación de un puente o túnel dañado). Estas disparidades se identifican y abordan mejor con una evaluación a nivel comunitario que permita identificar las necesidades específicas de cada proyecto. Una herramienta comúnmente utilizada es la denominada tabla de resiliencia, introducida por primera vez en San Francisco (Poland, 2009). En estas tablas, la comunidad establece el tiempo deseado para alcanzar un conjunto de métricas de desempeño de diversas infraestructuras (por ejemplo, el 75 % de las carreteras funcionales en 3 meses). Estas metas se comparan con el tiempo de recuperación previsto, evaluado por expertos técnicos. Los sectores donde la discrepancia entre la recuperación deseada y la prevista es mayor son aquellos donde más se necesitan intervenciones.
Tabla 1. Plazos para los objetivos de reconstrucción en un seísmo (Poland, 2009).
Fase
Marco temporal
Condición del entorno construido
1
1 a 7 días
Respuesta inicial y preparación para la reconstrucción
Inmediato
El alcalde ha declarado una emergencia local y ha abierto el Centro de Operaciones de Emergencia. Los hospitales, las comisarías, los parques de bomberos y los centros de operaciones de los departamentos de la ciudad están operativos.
Dentro de 4 horas
Las personas que salgan o regresen a la ciudad para llegar a sus hogares pueden hacerlo
Dentro de 24 horas
Los trabajadores de respuesta a emergencias pueden activarse y sus operaciones están completamente operativas. Los hoteles designados para alojar a estos trabajadores son seguros y están operativos. Los refugios están abiertos. Todos los hogares ocupados son inspeccionados por sus ocupantes y menos del 5 % de las viviendas son consideradas inseguras para ser ocupadas. Los residentes se refugiarán en edificios con daños superficiales, aunque los servicios públicos no funcionen.
Dentro de 72 horas
El 90 % de los sistemas de servicios públicos (energía, agua, aguas residuales y comunicación) están operativos y prestan apoyo a las instalaciones de emergencia y a los vecindarios. Asimismo, el 90 % de las principales rutas de transporte, incluidos los cruces de la bahía y los aeropuertos, están abiertos al menos para la respuesta a emergencias. Los esfuerzos de recuperación inicial y reconstrucción se centrarán en reparar viviendas, escuelas y oficinas de proveedores médicos para que puedan utilizarse, además de restablecer los servicios públicos necesarios. Los servicios esenciales de la ciudad están completamente restablecidos.
Todos los sistemas de servicios públicos y las rutas de transporte que atienden a los vecindarios han recuperado el 95 % de los niveles de servicio previos al evento. El transporte público funciona al 90 % de su capacidad. Las escuelas públicas están abiertas y en funcionamiento. El 90 % de los negocios del barrio están abiertos y atendiendo a la fuerza laboral.
Dentro de 60 días
Los aeropuertos están operativos y se pueden utilizar con normalidad. El transporte público funciona al 95 % de su capacidad. Las rutas de transporte menores se están reparando y reabriendo.
3
Varios años
Reconstrucción a largo plazo
Dentro de 4 meses
Los refugios temporales se han cerrado. Todos los hogares desplazados han regresado a sus hogares o han sido reubicados de forma permanente. El 95 % de los servicios minoristas de la comunidad han reabierto. El 50 % de los negocios de apoyo que no forman parte de la fuerza laboral están reabiertos.
Dentro de 3 años
Todas las operaciones comerciales, incluidos todos los servicios de la ciudad que no estén relacionados con la respuesta a emergencias o la reconstrucción, se han restablecido a los niveles previos al seísmo.
Esta herramienta sencilla se utiliza para representar posibles efectos de los riesgos en un conjunto de escenarios posibles. Actualmente, estos se identifican para cada comunidad en función de los riesgos previstos y de las directrices disponibles. Los efectos del cambio climático pueden incorporarse seleccionando un conjunto de escenarios de eventos extremos que representen el clima futuro. Para avanzar en los análisis y resultados de resiliencia, es necesario un enfoque estandarizado para identificar estos escenarios de riesgo.
Los edificios, puentes y otras infraestructuras tienden a diseñarse para vidas útiles de entre 50 y 100 años. Sin embargo, muchos edificios e infraestructuras se utilizan más allá de su vida útil y su desempeño depende de rehabilitaciones, actualizaciones y mantenimiento. Por lo tanto, la vida útil de edificios, puentes y otras infraestructuras abarca un período en el que el clima puede cambiar sustancialmente, por lo que dichos sistemas se ven expuestos a condiciones y acciones climáticas diferentes a las especificadas en su proyecto. Esta misma consideración se aplica a las evaluaciones de resiliencia.
Todo el proceso de evaluación de la resiliencia comunitaria, desde la selección de peligros hasta la evaluación de escenarios y las evaluaciones cuantitativas del rendimiento, debe tener en cuenta la no estacionariedad de los efectos climáticos. Al evaluar el impacto del cambio climático en el diseño, el mantenimiento y la remodelación, la propiedad desempeña un papel crucial. Cuando los edificios e infraestructuras tienen el mismo propietario durante su vida útil, hay incentivos más fuertes para incluir consideraciones de resiliencia y cambio climático en la planificación y el mantenimiento. En cambio, los sistemas diseñados y mantenidos por diferentes entidades suelen cumplir solo con los requisitos mínimos, a menos que la demanda de resiliencia, consideraciones climáticas o mejoras que se puedan trasladar a los usuarios sea clara.
Las dependencias e interdependencias entre los sistemas de infraestructura de una comunidad requieren la coordinación de múltiples propietarios, lo que puede resultar difícil. Mejorar la resiliencia de un sistema frente a los efectos climáticos futuros puede ser menos efectivo de lo planeado si los propietarios o administradores de los sistemas de infraestructura interdependientes no realizan mejoras similares.
Desempeño funcional del entorno construido
Los objetivos de desempeño comunitario suelen expresarse como aspiraciones a largo plazo para la funcionalidad de los sistemas físicos, sociales y económicos. La incorporación del cambio climático en la funcionalidad a largo plazo de los sistemas comunitarios debe abordarse urgentemente. Los proyectistas necesitan objetivos cuantitativos de desempeño y criterios de diseño para evaluar instalaciones y sistemas individuales que puedan apoyar los objetivos comunitarios y hacer frente a la considerable incertidumbre asociada al cambio climático y a los eventos futuros.
Un entorno construido con un desempeño aceptable es necesario, pero no suficiente, para establecer la resiliencia comunitaria. Esta resiliencia abarca metas sociales y económicas, así como objetivos relacionados con los servicios físicos. Para vincular la respuesta de los sistemas de infraestructura a los objetivos de resiliencia, es fundamental cuantificar su rendimiento colectivo mediante métricas de funcionalidad y recuperación. Desarrollar métricas que respalden los objetivos sociales es crucial para abordar la resiliencia comunitaria a nivel nacional. A continuación, se muestran algunos ejemplos de metas y métricas de resiliencia comunitaria en la Tabla 2. Las métricas de resiliencia para los servicios de infraestructura son más relevantes para los ingenieros estructurales, pero el rendimiento resiliente del entorno construido también contribuye a los objetivos sociales y económicos. Por lo tanto, estos objetivos deben tenerse en cuenta al evaluar soluciones para el diseño, el mantenimiento o las mejoras estructurales.
Tabla 2. Ejemplos de metas de desempeño comunitario y métricas de resiliencia
Metas de rendimiento comunitario
Ejemplos de métricas de resiliencia
Estabilidad poblacional
Desplazamiento y migración; disponibilidad de viviendas.
Estabilidad económica
Cambio en el empleo, impuestos e ingresos (recursos), presupuesto comunitario (necesidades).
Estabilidad de servicios sociales
Acceso a atención médica, educación, comercio minorista, banca.
Acceso a protección policial y contra incendios; servicios gubernamentales públicos esenciales.
Fuente: Ellingwood et al. (2020).
La recuperación funcional se refiere al restablecimiento de las funciones básicas del edificio o sistema de infraestructura tras un evento adverso. Desde la perspectiva de la resiliencia, el diseño de estos sistemas debe tener en cuenta el daño potencial y la forma en que se recuperarán durante el proceso de diseño. Este aspecto se aborda en parte en instalaciones críticas como hospitales y refugios, donde se aumentan los requisitos de carga y deformación para construir estructuras más sólidas.
Desde la perspectiva de la resiliencia comunitaria, otros edificios también pueden considerarse críticos según su función, como residencias de personas mayores y escuelas. Sin embargo, los códigos actuales se centran en la seguridad de las personas en edificios e infraestructuras individuales, sin considerar explícitamente las formas de fallo ni las reparaciones necesarias para restaurar la funcionalidad en un tiempo determinado. Para establecer normas que incluyan objetivos de desempeño en términos de funcionalidad y resiliencia, además de la seguridad, será necesario cambiar el proceso regulatorio, pasando de un diseño basado en componentes a un enfoque sistémico.
Se necesitan orientaciones sobre mejores prácticas y criterios de proyecto con objetivos que respalden las metas de resiliencia comunitaria para incluir la recuperación funcional. Se requieren objetivos funcionales y criterios para abordar mejor el papel de las infraestructuras, incluidos los niveles esperados de daño, el impacto en la funcionalidad de los edificios y otras infraestructuras, las reparaciones necesarias para restablecer la funcionalidad e impactos potenciales en la recuperación social y económica de la comunidad.
A medida que la ingeniería se esfuerza por incorporar los conceptos de resiliencia y recuperación funcional en su práctica, es necesario abordar el cambio climático en paralelo. La ASCE (2015) destacó un dilema clave para los ingenieros en ejercicio: «Aunque la comunidad científica está de acuerdo en que el clima está cambiando, existe una incertidumbre significativa sobre las distribuciones espaciales y temporales de los cambios durante la vida útil de los diseños y planes de infraestructura. La necesidad de que la infraestructura de ingeniería satisfaga las necesidades futuras y la incertidumbre sobre el clima futuro plantean un dilema para los ingenieros».
Los cambios en las condiciones climáticas pueden afectar a las infraestructuras y a su resiliencia de diversas maneras. ASCE (2018) identificó los tipos de impactos relacionados con el clima que deben abordarse, en particular, los relacionados con las inundaciones (el aumento de los niveles, de las velocidades de flujo y de las alturas de las olas), con las precipitaciones (las acciones de lluvia y nieve en los techos y el aumento de las acciones de las heladas en las estructuras) y con el viento (la mayor intensidad y frecuencia de tormentas y huracanes). El Manual de Práctica 144 de ASCE (ASCE, 2021) utiliza métodos probabilísticos para el análisis y la gestión de riesgos en los proyectos para abordar las incertidumbres dentro de un horizonte temporal. Este enfoque incluye la identificación y el análisis de riesgos, fallos del sistema, probabilidades asociadas y consecuencias, incluyendo pérdidas directas e indirectas, cuantificación de fallos y recuperación para la resiliencia, efectos en las comunidades, la economía de la resiliencia y las tecnologías para mejorar la resiliencia tanto en infraestructuras nuevas como existentes.
La resiliencia incorpora la dimensión temporal a través del proceso de recuperación y reconstrucción, pero los modelos de recuperación aún se encuentran en una etapa inicial de desarrollo. Además, durante la recuperación es necesario tener en cuenta las interdependencias, por ejemplo, cuando un edificio o sistema es funcional, pero otro sistema del que depende (por ejemplo, servicios públicos) aún no puede proporcionar el servicio necesario.
Cuando los edificios no son funcionales debido a retrasos en la financiación de reparaciones u otras causas, los efectos son enormes. En efecto, los retrasos en la recuperación de la funcionalidad de los edificios afectan directamente a la población, que se ve obligada a desplazarse y aumenta la probabilidad de emigrar, lo que repercute negativamente en las métricas de estabilidad poblacional (Tabla 2). La emigración también depende de la cohesión social y de factores como la fuente de refugio, empleo y educación de los niños en un hogar.
Desafíos para la resiliencia comunitaria en un clima cambiante
En la próxima década, probablemente evolucionen las mejores prácticas de los profesionales del diseño y las decisiones de los planificadores urbanos y las autoridades reguladoras para apoyar la forma en que se aborda el cambio climático en lo que respecta a la resiliencia comunitaria. El Diseño Basado en el Desempeño (PBD) ofrece una forma de abordar este conflicto y resolver los desafíos inherentes que surgirán al atender tanto las necesidades de las instalaciones como las de la comunidad. Desarrollar e incorporar enfoques PBD que aborden los peligros e impactos del cambio climático en las mejores prácticas, estándares y códigos es una necesidad urgente para la profesión de la ingeniería y la sociedad.
Los desafíos para los ingenieros estructurales incluyen los siguientes (Ellingwood et al., 2020):
Identificación de metas comunes de resiliencia comunitaria que aborden los futuros impactos del cambio climático, las cuales deberían ser establecidas por un grupo amplio de partes interesadas.
Objetivos de desempeño para los edificios, según categorías funcionales o agrupaciones (por ejemplo, edificios residenciales, instalaciones comerciales, gubernamentales) o instituciones socioeconómicas (por ejemplo, educación, atención médica), deben expresarse como requisitos compatibles con la práctica de ingeniería y ser prácticos de implementar desde una perspectiva de ingeniería.
Objetivos de fiabilidad para los edificios individuales en la práctica de diseño estructural actual (por ejemplo, ASCE 7-22, Sección 1.3) identifican requisitos mínimos de rendimiento a nivel de componente para la mayoría de las acciones, excepto las sísmicas. Se necesitan fiabilidades objetivo y criterios de desempeño a nivel de sistema para todas las cargas, con el fin de apoyar las metas de resiliencia comunitaria.
Códigos, normas y regulaciones para los sistemas de infraestructura (por ejemplo, edificios, puentes, comunicaciones críticas) deben coordinarse para apoyar las metas de resiliencia comunitaria e impactos del cambio climático, y para abordar la funcionalidad y recuperación de la infraestructura civil, así como la seguridad de las personas.
En resumen, la resiliencia comunitaria se refiere a la capacidad de las comunidades para adaptarse a situaciones adversas, mantener sus funciones esenciales y recuperarse rápidamente después de eventos extremos. Para desarrollar estrategias de adaptación eficaces, especialmente frente al cambio climático, es crucial que los miembros de la comunidad participen activamente en la identificación de sus valores y prioridades. Las comunidades vulnerables suelen sufrir impactos desproporcionados debido a factores socioeconómicos y demográficos, lo que subraya la necesidad de enfoques equitativos en la planificación de la resiliencia. Además, es fundamental tener en cuenta las interdependencias entre los sistemas de infraestructura y la coordinación entre múltiples propietarios para mejorar la resiliencia. La planificación debe incluir objetivos de rendimiento claros y métricas que aborden tanto la funcionalidad como la recuperación de los sistemas, para que las comunidades puedan hacer frente a los desafíos climáticos futuros de manera efectiva.
Aquí tenéis un mapa mental sobre el contenido de las reflexiones anteriores, que espero, os sea útil.
Dejo a continuación un documento que creo que os puede interesar sobre este tema.
Bruneau, M., Barbato, M., Padgett, J. E., Zaghi, A. E., et al. (2017). State-of-the-art on multihazard design. Journal of Structural Engineering, 143(10), 03117002.
Cooke, R. M. (2015). Messaging climate change uncertainty. Nature Climate Change, 5(1), 8–10.
Ellingwood, B. R., van de Lindt, J. W., & McAllister, T. (2020). Community resilience: A new challenge to the practice of structural engineering. Structural Magazine, 27(11), 28–30.
Ellingwood, B. R., Bocchini, P., Lounis, Z., Ghosn, M., Liu, M., Yang, D., Capacci, L., Diniz, S., Lin, N., Tsiatas, G., Biondini, F., de Lindt, J., Frangopol, D.M., Akiyama, M., Li, Y., Barbato, M., Hong, H., McAllister, T., Tsampras, G. & Vahedifard, F. (2024). Impact of Climate Change on Infrastructure Performance. In Effects of Climate Change on Life-Cycle Performance of Structures and Infrastructure Systems: Safety, Reliability, and Risk (pp. 115-206). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
Eisenhauer, E., Henson, S., Matsler, A., Maxwell, K., Reilly, I., Shacklette, M., Julius, S., Kiessling, B., Fry, M., Nee, R., Bryant, J., Finley, J., & Kieber, B. (2024). Centering equity in community resilience planning: Lessons from case studies. Natural Hazards Forum, Washington, D.C.
IPCC (1997). The regional impacts of climate change: an assessment of vulnerability. IPCC, Geneva.
McAllister, T., Walker, R., & Baker, A. (2022). Assessment of resilience in codes, standards, regulations, and best practices for buildings and infrastructure systems. NIST Technical Note 2209. National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2209
O’Neill, B., van Aalst, M., Zaiton Ibrahim, Z., Berrang Ford, L., Bhadwal, S., Buhaug, H., Diaz, D., Frieler, K., Garschagen, M., Magnan, A., Midgley, G., Mirzabaev, A., Thomas, A., & Warren, R. (2022). Key risks across sectors and regions. In H.-O. Pörtner, D. C. Roberts, M. Tignor, E. S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, & B. Rama (Eds.), Climate change 2022: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (pp. 2411–2538). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009325844.025
Poland, C. D. (2009). The resilient city: Defining what San Francisco needs from its seismic mitigation policies. San Francisco Planning and Urban Research Association Report. Earthquake Engineering Research Institute.
Vogel, J., Carney, K. M., Smith, J. B., Herrick, C., et al. (2016). Climate adaptation: The state of practice in US communities. The Kresge Foundation and Abt Associates.
El diseño estructural de infraestructuras, como edificios y puentes, se basa en códigos que establecen los criterios necesarios para garantizar su resistencia a diversas condiciones climáticas y ambientales. Estos códigos se actualizan periódicamente para reflejar los avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, el cambio climático plantea un desafío disruptivo, ya que altera las condiciones climáticas de manera impredecible, lo que cuestiona la suposición de que las cargas climáticas son estacionarias.
En estas líneas se aborda cómo la transición del diseño estructural basado en estados límites ha influido en la forma en que se tienen en cuenta las variables climáticas. También aborda las dificultades que surgen al integrar el cambio climático en los modelos de riesgo estructural y analiza la necesidad de ajustar los métodos de estimación y diseño para tener en cuenta la creciente incertidumbre sobre el futuro climático.
Estas reflexiones se enmarcan dentro del proyecto RESILIFE, que actualmente desarrollo como investigador principal, y se han basado en algunas ideas desarrolladas en el trabajo reciente de Ellingwood et al. (2024).
Los códigos estructurales establecen los criterios necesarios para diseñar edificios, puentes y otras infraestructuras capaces de resistir las demandas de uso y los eventos ambientales o climáticos, como la nieve, el hielo, las lluvias, las tormentas de viento e inundaciones fluviales y costeras. Para garantizar que reflejen los últimos avances en ciencia e ingeniería, estos códigos se actualizan periódicamente, generalmente cada 5 o 10 años.
En las últimas cuatro décadas, los códigos estructurales de todo el mundo, como el «Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures (ASCE 7-22)», las «LRFD Bridge Design Specifications (AASHTO)», el «International Building Code«, el «National Building Code of Canada» y los Eurocódigos, han adoptado los principios del diseño basado en estados límite. Durante este tiempo, los ingenieros estructurales y la normativa han reconocido la importancia de las herramientas de análisis de fiabilidad estructural y gestión del riesgo para modelar las incertidumbres asociadas a las cargas estructurales y la respuesta de las estructuras, y así garantizar un rendimiento adecuado en servicio (García-Segura et al., 2017). Con la transición del diseño basado en tensiones admisibles al diseño por estados límite, los criterios para las cargas climáticas han evolucionado gradualmente. Hasta ahora, estos criterios, basados en registros climáticos históricos y en evaluaciones de fiabilidad estructural, han tratado las cargas operativas y climáticas como estacionarias, asumiendo que el pasado es representativo del futuro.
El cambio climático plantea un desafío disruptivo y significativo para la evolución gradual de los códigos basados en el riesgo, así como para las prácticas de diseño estructural (ASCE, 2015a, 2018). La suposición de estacionariedad en el análisis de riesgos naturales deja de ser válida al tener en cuenta los efectos del cambio climático. Además, las incertidumbres asociadas a las proyecciones climáticas para el resto del siglo XXI son considerables, especialmente en lo que respecta a las cargas de viento, hielo y nieve (Tye et al., 2021). Las condiciones climáticas más agresivas podrían acelerar el deterioro estructural en ciertos casos, así como aumentar la intensidad y duración de los peligros. El cambio climático también ha suscitado controversia desde el punto de vista económico y político. Lograr consenso en los comités encargados de los códigos sobre el impacto del cambio climático en las infraestructuras requerirá una gestión técnica eficaz y una separación clara entre los aspectos políticos, como las causas del cambio climático, y los aspectos técnicos, como su impacto en las estructuras. Asimismo, podría haber oposición pública ante los costes adicionales que conlleven las modificaciones en los códigos climáticos. No obstante, ignorar los efectos del cambio climático en el comportamiento a largo plazo de las estructuras e infraestructuras podría incrementar el riesgo de daños y fallos, aumentar los costes de diseño, construcción y mantenimiento, agravar problemas de salud y seguridad públicas, interrumpir servicios esenciales y generar impactos socioeconómicos y ambientales negativos a nivel nacional.
Es fundamental abordar varias preguntas clave para considerar las exigencias del cambio climático en el desarrollo de los códigos estructurales. Entre ellas se encuentran (Ellingwood et al., 2024) :
¿Cómo se debe modelar la no estacionariedad en la ocurrencia e intensidad de los eventos climáticos extremos provocados por el cambio climático?
¿Cómo se deben integrar estas incertidumbres en un análisis de fiabilidad estructural dependiente del tiempo, con el fin de estimar el comportamiento futuro y demostrar el cumplimiento de los objetivos de rendimiento expresados en términos de fiabilidad?
¿Cómo se puede convencer a los ingenieros estructurales y al público en general de la necesidad de aceptar estos cambios en interés nacional (Cooke, 2015), incluso si en algunos casos los costes de los sistemas de infraestructura aumentan?
Problemas y desafíos en el análisis de datos climáticos para el diseño estructural
Las variables climáticas empleadas en los códigos estructurales se basan principalmente en datos históricos. Los vientos extratropicales, la nieve, la temperatura y las precipitaciones se analizan exclusivamente a partir de estos datos. En el caso de los huracanes, se integran datos históricos en un marco que modela su génesis en la cuenca del Atlántico Norte, su desarrollo hasta convertirse en huracanes plenamente formados que impactan en infraestructuras costeras y su disipación tras tocar tierra. Estos análisis suponen que las variables climáticas pueden evaluarse como si fueran estacionarias, es decir, que el pasado es representativo del futuro y que sus intensidades pueden determinarse en función de sus periodos de retorno. Los datos se han recopilado para fines distintos al diseño de edificaciones, como la aviación comercial, la hidrología local, la gestión de recursos hídricos y la agricultura, y generalmente abarcan menos de 100 años.
La mayoría de las variables climáticas incluidas en los códigos se suelen determinar ajustando el parámetro extremo anual a una distribución de probabilidad. Entre las distribuciones más comunes utilizadas para este propósito se encuentran la distribución Tipo I de valores máximos y la distribución generalizada de valores extremos. El periodo de retorno o intervalo medio de recurrencia de una carga se calcula como el recíproco de la probabilidad anual de que dicha carga se supere. El error de muestreo en la estimación de los eventos base de diseño en una secuencia estacionaria para periodos de retorno superiores a 100 años puede ser considerable. Sin embargo, las estimaciones de las medias de las muestras suelen ser razonablemente estables cuando se actualizan en intervalos típicos de 10 años con datos climáticos adicionales.
La suposición de estacionariedad en los datos no puede justificarse en un contexto de cambio climático (Pandey y Lounis, 2023), y el concepto de un evento asociado a un periodo de retorno específico no es aplicable en sentido estricto. El aumento (o disminución) de las variables climáticas, junto con la creciente incertidumbre en los modelos de predicción climática, especialmente a partir del año 2060, afectará a la forma de analizar y especificar los datos para fines de diseño estructural. Quizás lo más relevante sea el impacto que tendrá sobre la forma en que se comunicarán los peligros de diseño a la comunidad profesional de la ingeniería y a sus clientes (Cooke, 2015). Ellingwood et al. (2024) recuerdan claramente la confusión generada por el concepto de periodo de retorno cuando se introdujo a finales de la década de 1960. El periodo de retorno se concibió como una herramienta para reconocer que el parámetro de carga es aleatorio y para definir indirectamente la probabilidad anual de que se supere su intensidad de diseño, sin necesidad de recurrir a probabilidades pequeñas que no eran habituales entre los ingenieros estructurales de esa época. Esto podría explicar por qué algunos investigadores climáticos han intentado presentar sus estimaciones de parámetros utilizando el concepto de periodo de retorno (Ribereau et al., 2008; Salas y Obeysekera, 2014). Este problema requiere una reflexión cuidadosa al tratar con un clima cambiante, donde las probabilidades anuales no son constantes a lo largo de la vida útil de una estructura.
El crecimiento proyectado de las variables climáticas y sus incertidumbres más allá del año 2060 indica que será necesario desarrollar métodos para gestionar la incertidumbre epistémica -se refiere a la incertidumbre del modelo- en la estimación de parámetros, un aspecto que no se había tenido en cuenta previamente al estimar las variables climáticas para desarrollar códigos estructurales. Aunque la precisión de las técnicas generales de pronóstico climático ha mejorado gracias a la recopilación continua de datos, los modelos climáticos actuales son más capaces de predecir el impacto del cambio climático sobre la temperatura y las precipitaciones que sobre fenómenos como inundaciones, nevadas y vientos. Esto resulta problemático a la hora de considerar los niveles de probabilidad apropiados para el análisis de seguridad estructural.
Las futuras investigaciones podrían centrarse en el desarrollo de modelos más precisos para cargas climáticas específicas, como ciclones tropicales o sequías prolongadas, que aún presentan elevadas incertidumbres en sus proyecciones. Además, sería valioso explorar la aplicación de estos principios a sistemas de infraestructura emergentes, como redes de energía renovable o tecnologías de transporte resilientes. Por último, se sugiere investigar métodos para integrar datos climáticos en tiempo real en el diseño y seguimiento de infraestructuras, fomentando un enfoque dinámico y adaptable al cambio climático.
En resumen, los códigos estructurales establecen los criterios necesarios para diseñar infraestructuras capaces de resistir eventos climáticos como tormentas, nieve e inundaciones, y se actualizan periódicamente para reflejar los avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, el cambio climático plantea un reto significativo, ya que altera las condiciones climáticas de manera impredecible, lo que hace que la suposición de estacionariedad que hasta ahora ha guiado el diseño estructural sea obsoleta. Este artículo explora cómo los códigos estructurales han evolucionado hacia un diseño basado en estados límite y la necesidad urgente de ajustar los métodos de análisis de riesgos ante la creciente incertidumbre climática. Además, se analizan los problemas derivados del uso exclusivo de datos históricos para modelar cargas climáticas y las dificultades que plantea el cambio climático a la hora de predecir eventos extremos. Finalmente, se destaca la necesidad de desarrollar nuevos modelos y enfoques analíticos que garanticen la seguridad de las infraestructuras en un entorno climático en constante cambio.
Os dejo un mapa conceptual sobre las reflexiones anteriores.
Referencias:
ASCE (2015). Adapting infrastructure and civil engineering practice to a changing climate. Committee on Adaptation to a Changing Climate. American Society of Civil Engineers.
ASCE (2018). Climate-resilient infrastructure: Adaptive design and risk management. Reston, VA: Committee on Adaptation to a Changing Climate. American Society of Civil Engineers.
Cooke, R. M. (2015). Messaging climate change uncertainty. Nature Climate Change, 5(1), 8-10.
Ellingwood, B. R., Bocchini, P., Lounis, Z., Ghosn, M., Liu, M., Yang, D., Capacci, L., Diniz, S., Lin, N., Tsiatas, G., Biondini, F., de Lindt, J., Frangopol, D.M., Akiyama, M., Li, Y., Barbato, M., Hong, H., McAllister, T., Tsampras, G. & Vahedifard, F. (2024). Impact of Climate Change on Infrastructure Performance. In Effects of Climate Change on Life-Cycle Performance of Structures and Infrastructure Systems: Safety, Reliability, and Risk (pp. 115-206). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
García-Segura, T., Yepes, V., Frangopol, D. M., & Yang, D. Y. (2017). Lifetime reliability-based optimization of post-tensioned box-girder bridges. Engineering Structures, 145, 381-391.
Pandey, M. D., & Lounis, Z. (2023). Stochastic modelling of non-stationary environmental loads for reliability analysis under the changing climate. Structural Safety, 103, 102348.
Ribereau, P., Guillou, A., & Naveau, P. (2008). Estimating return levels from maxima of non-stationary random sequences using the Generalized PWM method. Nonlinear Processes in Geophysics, 15(6), 1033-1039.
Salas, J. D., & Obeysekera, J. (2014). Revisiting the concepts of return period and risk for nonstationary hydrologic extreme events. Journal of hydrologic engineering, 19(3), 554-568.
Tye, M. R., & Giovannettone, J. P. (2021, October). Impacts of future weather and climate extremes on United States infrastructure: Assessing and prioritizing adaptation actions. Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
El documento, titulado «Guía para las especificaciones técnicas del hormigón», forma parte de la serie de guías Eurocódigos, elaborada por el Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana de España. Su propósito es proporcionar un marco de referencia que facilite la aplicación de los Eurocódigos en el diseño y ejecución de obras de construcción, prestando especial atención al hormigón. A lo largo del texto se abordan aspectos técnicos relacionados con la especificación del hormigón, con el objetivo de garantizar el cumplimiento de las normativas europeas y de las exigencias del Código Estructural español.
La guía se enmarca en un contexto normativo que ha experimentado una notable transformación desde la implementación de los Eurocódigos en la década de 1980. Se destaca la importancia de estas normativas para armonizar los criterios de diseño y ejecución en el ámbito de la construcción en Europa. La guía se presenta como un recurso esencial para los profesionales del sector, ya que proporciona directrices claras y concisas sobre cómo especificar el hormigón de acuerdo con la normativa vigente.
Desarrollo de los aspectos más relevantes
La guía se organiza en varios capítulos que abordan desde la introducción a los Eurocódigos hasta la definición de especificaciones técnicas del hormigón. En el primer capítulo se establece el contexto y la importancia de la normativa europea en el ámbito de la construcción, y se destaca la evolución de los Eurocódigos desde su creación hasta su aplicación en proyectos de infraestructura en España. Se menciona que la serie de guías Eurocódigos se inició en 2018 con el objetivo de profundizar en el conocimiento de estas normativas en la comunidad técnica española y facilitar su aplicación en proyectos de la Dirección General de Carreteras.
Uno de los aspectos más relevantes es la definición de los requisitos básicos para especificar el hormigón, que incluyen la clase de resistencia a compresión, la clase de exposición y el tamaño máximo del árido. Estos requisitos son esenciales para garantizar que el hormigón utilizado en las obras cumpla con las propiedades mecánicas y de durabilidad necesarias para su correcto funcionamiento en las condiciones ambientales previstas. La guía detalla cómo se deben designar los hormigones y cómo se debe elaborar el cuadro de especificaciones técnicas para garantizar el cumplimiento de las normativas.
La guía también aborda la equivalencia entre las especificaciones del hormigón según los Eurocódigos y el Código Estructural, y proporciona un marco claro para interpretar y aplicar ambas normativas. Este enfoque permite a los profesionales del sector entender cómo se relacionan los requisitos de cada norma y cómo se pueden aplicar en la práctica. Se hace hincapié en la necesidad de resolver la compatibilidad entre las normas europeas de producto, ejecución y control, y el Código Estructural, motivo por el cual se ha elaborado esta guía.
Además, se incluyen recomendaciones sobre el control de calidad y la ejecución del hormigón, haciendo hincapié en la importancia de establecer niveles de control adecuados durante la producción y colocación del material. La guía sugiere que el control de conformidad de la resistencia del hormigón se realice mediante métodos estadísticos, lo que permite evaluar con mayor precisión la calidad del material utilizado en las obras. Se menciona que el control de conformidad debe incluir la verificación de la resistencia, durabilidad y otras características exigidas en el pliego de prescripciones técnicas particulares.
Otro aspecto destacado es la clasificación del hormigón en función de su tipo y función estructural. La guía establece que es conveniente incluir una distinción en función del uso previsto del hormigón, diferenciando entre hormigón en masa, hormigón armado, hormigón pretensado y hormigón no estructural. Esta clasificación permite prever las características del material definidas en la especificación, lo que es esencial para garantizar la calidad y durabilidad del hormigón en las obras.
La guía también proporciona un análisis detallado de los requisitos adicionales que pueden incluirse en la especificación del hormigón, como el tipo de cemento, la temperatura del hormigón fresco y las características exigidas para resistir daños por ciclos de hielo-deshielo. Estos requisitos adicionales son importantes para garantizar que el hormigón se adapte a las condiciones específicas del entorno en el que se utilizará, lo que contribuirá a su durabilidad y rendimiento a largo plazo.
Recomendaciones prácticas
Para aplicar correctamente las especificaciones técnicas del hormigón, se recomienda que los estudiantes y los profesionales del sector se familiaricen con los Eurocódigos, el Código Estructural y la guía en cuestión. Se recomienda realizar capacitaciones periódicas sobre las normativas vigentes, ya que esto contribuirá a una mejor comprensión de los requisitos y a su correcta implementación en proyectos de construcción.
Asimismo, se sugiere establecer protocolos claros para el control de calidad del hormigón que incluyan la realización de ensayos de resistencia y durabilidad en diferentes etapas del proceso de producción y colocación. La documentación de estos ensayos debe ser rigurosa y accesible para facilitar la trazabilidad del material utilizado en las obras.
Es fundamental fomentar la colaboración entre todos los actores involucrados en el proceso constructivo, desde los diseñadores hasta los ejecutores, para garantizar que todos comprendan y apliquen adecuadamente las especificaciones técnicas del hormigón. La comunicación efectiva entre los equipos de trabajo puede ayudar a prevenir errores y garantizar el cumplimiento de los estándares de calidad establecidos.
Conclusión
La guía de especificaciones técnicas del hormigón proporciona un marco detallado y estructurado que facilita la aplicación de normativas europeas en el ámbito de la construcción en España. Su contenido técnico y práctico resulta muy útil para el alumnado y los profesionales del sector, ya que facilita la comprensión de los requisitos necesarios para garantizar la calidad y durabilidad del hormigón en las obras. La aplicación de las recomendaciones propuestas mejorará la práctica constructiva y garantizará el cumplimiento de las normativas vigentes.
A continuación, os paso la guía completa. Espero que os sea útil.
Acaban de publicar nuestro artículo en la revista del primer decil del JCR Journal of Building Enginering. El artículo aborda el desafío técnico y científico que supone analizar las características de deformación en excavaciones profundas en suelos blandos. Estas excavaciones, que están aumentando en escala y complejidad, plantean problemas de estabilidad debido a las propiedades inherentes de los suelos blandos, como su alta compresibilidad, alta sensibilidad, baja permeabilidad y baja resistencia. Además, la interacción entre el agua y el suelo durante la excavación puede causar consolidación por filtración, alteraciones en el campo de tensiones y riesgos significativos para las estructuras circundantes.
Actualmente, los métodos predominantes, como el análisis por elementos finitos y la monitorización experimental, presentan limitaciones a la hora de evaluar la precisión y los efectos espaciales en grandes escalas. Este estudio propone una mejora mediante la modelación tridimensional no lineal que incorpora un modelo de interfaz deslizante. El estudio analiza el proyecto XSS-03-10D, para lo que se utilizan mediciones in situ y simulaciones numéricas con las que estudiar la evolución temporal y espacial de la deformación de los sistemas de soporte y los asentamientos superficiales.
La pregunta principal que guía este trabajo es la siguiente: ¿cómo influye la interacción entre el sistema de soporte y el suelo circundante en la estabilidad y seguridad de las excavaciones profundas en suelos blandos y qué tan efectivas son las herramientas de modelación tridimensional para predecir estos comportamientos?
Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Colaboramos con investigadores de la Hunan University of Science and Engineering, de China. A continuación, explicamos brevemente el contenido del artículo que podéis descargar gratuitamente.
Metodología
La metodología empleada en este estudio combina el control exhaustivo en campo con avanzadas simulaciones numéricas para evaluar las características de deformación de las excavaciones profundas. En primer lugar, se realizó un análisis detallado de las condiciones geotécnicas del terreno, incluyendo pruebas de laboratorio y muestreo de suelos en diferentes capas. Gracias a estas pruebas, se identificaron propiedades clave del suelo, como el contenido de humedad, la densidad, la cohesión y el ángulo de fricción interna, que son esenciales para los cálculos posteriores.
Posteriormente, se diseñó un modelo tridimensional no lineal en el programa informático ABAQUS que incorporó las propiedades específicas del suelo y un modelo de interfaz deslizante para simular las interacciones entre el sistema de soporte y el terreno. Este modelo se estructuró en dos capas principales de excavación: la primera, desde la superficie hasta los -7550 m, está compuesta principalmente por relleno y lodo; y la segunda, desde los -7550 m hasta los -10750 m, está formada principalmente por lodo blando.
El modelo numérico se calibró mediante la comparación con datos reales obtenidos de 197 puntos de control distribuidos en el yacimiento. Estos puntos incluían sensores para medir desplazamientos horizontales y verticales, la presión del suelo y las fuerzas axiales en los sistemas de soporte. Además, se integraron sistemas de alerta temprana que permitieron identificar zonas críticas en tiempo real y ajustar las estrategias de soporte en consecuencia.
El análisis se dividió en varias etapas:
Modelación inicial: Se definieron los parámetros básicos del suelo y los límites del modelo. Se realizaron simulaciones preliminares para establecer un marco de referencia.
Simulación del proceso de excavación: Se aplicaron cargas incrementales para replicar el proceso de excavación por capas, teniendo en cuenta los cambios en la presión del suelo y las interacciones dinámicas entre los sistemas de soporte y el terreno.
Validación de resultados: Los resultados del modelo se compararon con los datos de supervisión in situ. Esto incluyó la evaluación de desplazamientos, deformaciones y fuerzas internas, y la realización de ajustes iterativos en el modelo para mejorar la precisión.
Análisis de escenarios críticos: Se exploraron escenarios de fallo potenciales y se identificaron las zonas más vulnerables dentro del sistema de soporte y del terreno circundante.
Esta combinación de monitorización de campo y simulación numérica no solo permitió validar la precisión del modelo tridimensional, sino también obtener una visión integral de los patrones espaciotemporales de deformación.
Aportaciones relevantes
En primer lugar, este trabajo presenta un modelo tridimensional de elementos finitos que combina elasticidad y plasticidad no lineales y que está adaptado para capturar las características específicas de los suelos blandos. Este enfoque supera las limitaciones de los modelos constitutivos tradicionales al integrar datos de campo y parámetros geotécnicos.
En segundo lugar, el estudio identifica los factores clave que afectan a la estabilidad de las excavaciones profundas, como la presión lateral del suelo, los efectos de consolidación y la interacción entre el terreno y la estructura. La comparación entre los datos medidos y los simulados demostró una alta correlación, lo que confirma la precisión del modelo y su aplicabilidad práctica.
Además, el artículo destaca la importancia de realizar un seguimiento continuo y de integrar sistemas de alerta temprana para mitigar riesgos durante la construcción. Este enfoque tiene un impacto directo en la sostenibilidad de los proyectos de infraestructura, ya que reduce el riesgo de fallos estructurales y minimiza el impacto ambiental.
Otra contribución relevante es la identificación de patrones espaciotemporales en la deformación de los sistemas de soporte, lo que permite diseñar estrategias de mitigación más eficaces. Por último, el enfoque metodológico presentado puede adaptarse a otros tipos de proyectos de infraestructura, lo que amplía su aplicabilidad en el campo de la ingeniería civil.
Discusión de resultados
Los resultados del estudio muestran que la deformación de los sistemas de soporte y los asentamientos del suelo presentan patrones espaciotemporales complejos. Durante la excavación por capas, se observó que el sistema de soporte experimentaba un incremento progresivo de las fuerzas axiales, alcanzando valores cercanos a los límites de seguridad en zonas específicas. Estas áreas coinciden con zonas de transición entre diferentes propiedades del suelo y regiones con interacciones más intensas entre el agua y el suelo.
El análisis numérico reveló que el modelo tridimensional es más preciso a la hora de predecir deformaciones y fallos que los métodos tradicionales. Por ejemplo, las simulaciones anticiparon asentamientos y desplazamientos horizontales que coincidieron con los valores observados in situ, lo que proporciona una herramienta fiable para la toma de decisiones durante la construcción.
En cuanto a los desplazamientos horizontales, los datos de control mostraron que los puntos ubicados cerca de áreas de transición de suelos blandos presentaron los mayores valores de deformación. Esto subraya la importancia de diseñar sistemas de soporte que se puedan adaptar dinámicamente a las características específicas del terreno. Por otro lado, los asentamientos superficiales fueron más pronunciados en zonas adyacentes a cuerpos de agua, lo que sugiere que el nivel freático es crucial para la estabilidad de las excavaciones.
Desde el punto de vista del comportamiento estructural, las fuerzas axiales en los soportes interiores aumentaron de forma progresiva durante la excavación, alcanzando valores cercanos a los límites de diseño. Esto demuestra la necesidad de implementar estrategias de refuerzo adicionales en las fases críticas de la construcción. Los resultados también evidenciaron la presencia de efectos de acoplamiento entre el suelo y las estructuras circundantes, un aspecto que podría abordarse en futuros estudios para mejorar la precisión de los modelos predictivos.
Además, se observó que la interacción entre el sistema de soporte y el suelo puede verse significativamente influenciada por factores externos, como las condiciones climáticas y las variaciones en el nivel freático. Estas interacciones tienen implicaciones directas para la estabilidad del sistema, por lo que se deben utilizar estrategias de monitorización adaptativas. Finalmente, los patrones de deformación identificados durante el análisis ponen de manifiesto la importancia de realizar ajustes dinámicos en el diseño y el monitoreo según las condiciones cambiantes en tiempo real.
Futuras líneas de investigación
A partir de los resultados de este estudio, se identifican varias áreas prometedoras para la investigación futura. Una de ellas es mejorar los modelos constitutivos del suelo para tener en cuenta mejor los efectos de la interacción multidimensional entre agua, suelo y estructuras. Esto podría incluir la incorporación de modelos viscoelásticos para simular el comportamiento a largo plazo de los suelos blandos.
Otra línea de interés es el desarrollo de herramientas de simulación que integren datos en tiempo real procedentes de sensores distribuidos en el lugar de la obra. Esto permitiría realizar ajustes instantáneos en las estrategias de construcción, mejorando la seguridad y reduciendo los costes asociados a fallos inesperados.
Además, el estudio destaca la necesidad de investigar la influencia de eventos extremos, como terremotos o lluvias torrenciales, en la estabilidad de excavaciones profundas. Las simulaciones que integran estos escenarios podrían proporcionar datos valiosos para diseñar sistemas de soporte más resilientes.
Finalmente, la investigación sobre métodos sostenibles de construcción en suelos blandos podría beneficiarse de estudios centrados en el uso de materiales de refuerzo ecológicos y en la optimización de diseños que reduzcan la huella de carbono. Estas iniciativas contribuirían al avance de la ingeniería civil hacia un enfoque más respetuoso con el medio ambiente.
Conclusión
El trabajo ofrece un análisis exhaustivo y un marco metodológico innovador para abordar los desafíos de las excavaciones profundas en suelos blandos. Al combinar la supervisión in situ con simulaciones numéricas avanzadas, el estudio asienta las bases para mejorar las prácticas de diseño y construcción.
El uso de modelos tridimensionales no lineales ha demostrado ser una herramienta muy eficaz para predecir comportamientos complejos de deformación y diseñar estrategias de mitigación más efectivas. Esto tiene implicaciones significativas para proyectos de infraestructura en entornos similares, ya que ofrece una guía clara para mejorar la estabilidad y sostenibilidad de estas obras.
En la práctica, los hallazgos refuerzan la importancia del seguimiento continuo y la adaptación dinámica de las estrategias de soporte según las condiciones en tiempo real. Estas prácticas no solo aumentan la seguridad, sino que también reducen los costes y el impacto ambiental asociados a los fallos estructurales.
Finalmente, el estudio sentará las bases para futuras investigaciones que exploren enfoques aún más integrados, sostenibles y resilientes, y permitirá que la ingeniería civil continúe evolucionando frente a los desafíos que presentan los entornos geotécnicos complejos. Además, los resultados invitan a adoptar un enfoque interdisciplinario que combine herramientas tecnológicas avanzadas y principios de sostenibilidad para optimizar tanto los resultados estructurales como el impacto ambiental de las construcciones en suelos blandos.
Viga armada de acero. https://www.renedometal.es/vigas-armadas-la-rioja/
El desarrollo de estructuras de acero ha sido un pilar fundamental en la ingeniería civil desde el siglo XIX. Obras emblemáticas como el puente de Brooklyn y la torre Eiffel son ejemplos tempranos de su aplicación con éxito. La evolución tecnológica ha dado lugar al desarrollo de conceptos avanzados como las vigas híbridas de acero, que permiten un mejor aprovechamiento del material y reducen los costes de manera significativa. Las vigas híbridas de acero son una solución avanzada en el ámbito de la construcción que permite optimizar el uso de materiales, reducir costes y mejorar la eficiencia estructural. Estas vigas combinan diferentes tipos de acero en sus componentes para maximizar la resistencia y minimizar el peso, por lo que constituyen una alternativa eficaz a las vigas homogéneas tradicionales.
Históricamente, han dominado el mercado las vigas de acero convencionales, en las que tanto el alma como las alas tienen la misma resistencia a la fluencia. Sin embargo, esta configuración puede llevar a un uso ineficiente del material, ya que las alas soportan la mayor parte de las tensiones de flexión. La incorporación de diferentes resistencias en las partes de la viga es una solución innovadora para optimizar el empleo del acero.
El concepto de viga híbrida implica el uso de acero de alta resistencia en las alas, donde se producen tensiones de tracción y compresión máximas, y de acero de resistencia moderada en el alma, que soporta tensiones menores. Esta configuración permite reducir el peso total de la viga, disminuir costes y mejorar la sostenibilidad mediante una utilización más eficiente de los recursos.
La investigación sobre vigas híbridas ha seguido tres enfoques principales: estudios experimentales, simulaciones computacionales y revisiones bibliográficas. Los ensayos experimentales evalúan el comportamiento estructural bajo diversas condiciones de carga. Las simulaciones computacionales permiten modelar situaciones complejas mediante el método de elementos finitos. Las revisiones bibliográficas consolidan el conocimiento existente y permiten identificar lagunas en la investigación.
Las estructuras híbridas son objeto de nuestros proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. En las referencias se encuentran tres de los artículos publicados al respecto, los cuales se pueden descargar por estar publicados en abierto. Además, ya publicamos varias entradas sobre estos trabajos hace unos meses.
En un artículo anterior (Terreros-Bezoya et al., 2023), ya hicimos referencia a un estudio del estado del arte al respecto. En dicha investigación se revisaron 128 publicaciones sobre diseño de vigas y se utilizó un análisis de correspondencia para identificar patrones en variables como la resistencia de alas y alma, las condiciones de carga y los métodos de cálculo. Se sistematiza el conocimiento existente y se destacan enfoques de diseño eficaces. Se identifican ratios híbridos ideales, con un equilibrio entre resistencia y economía de material, que oscilan entre 1,3 y 1,6. Además, el estudio destaca las ventajas ambientales y económicas de las vigas híbridas, ya que al reducir el peso de las estructuras, disminuyen los costes de transporte, instalación y materiales, y, por tanto, las emisiones de CO₂. Esta estrategia se alinea con los objetivos de la Unión Europea para lograr la neutralidad climática en 2050 y mejora la viabilidad de proyectos a gran escala al reducir los costes de fabricación y montaje.
Estudios recientes han demostrado que las vigas híbridas son superiores en términos de resistencia y eficiencia económica. Ensayos experimentales muestran que pueden soportar cargas hasta un 40% mayores que las vigas convencionales debido a su capacidad para distribuir tensiones de manera más efectiva. Además, su uso puede reducir los costos de construcción en un 20%, considerando ahorros en materiales, transporte e instalación.
En términos de distribución geográfica, la investigación sobre vigas híbridas está dominada por Estados Unidos, China y Europa, con un crecimiento notable en Asia debido a su desarrollo infraestructural. Los estudios se centran en tres áreas principales: comportamiento estructural, desarrollo de metodologías de diseño y optimización económica.
Las investigaciones sobre flexión pura revelan que una resistencia a la fluencia de 300 MPa en el alma y 500 MPa en las alas mejora significativamente el rendimiento estructural. En términos de corte puro, se ha logrado mejorar la resistencia en un 25% mediante el desarrollo de campos de tensión diagonales. La interacción flexión-corte permite incrementar la resistencia última hasta un 30% al diseñar refuerzos de ala y distribuciones de carga adecuadas.
El trabajo de Negrín et al. (2023) presenta una metodología para optimizar el diseño de vigas híbridas de acero soldado y, por tanto, mejorar su coste. Se formula un problema de optimización que permite configuraciones híbridas con diferentes tipos de acero y se considera el coste de fabricación como función objetivo. Los resultados indican que el diseño optimizado puede ser hasta un 50 % más económico que los métodos tradicionales. Además, se sugieren métodos para comparar soluciones óptimas y se establecen líneas de investigación futuras basadas en los resultados obtenidos.
El estudio de Negrín et al. (2024) destaca los beneficios económicos de las vigas de acero híbridas transversal-longitudinalmente (TLH), mostrando una reducción de costos de fabricación superior al 50% en comparación con diseños tradicionales. Se identifican configuraciones TLH como más eficaces para elementos grandes, con recomendaciones para puntos de transición y configuraciones de materiales según niveles de tensión. Además, la metodología propuesta promueve un diseño sostenible, optimizando elementos TLH para mejorar aspectos económicos y ambientales, lo que sugiere futuras investigaciones en comportamiento estructural y sostenibilidad.
Sin embargo, persisten desafíos en áreas como la soldadura y la fabricación. La unión de materiales con diferentes propiedades requiere técnicas especializadas y electrodos adecuados para garantizar la integridad estructural. Además, los estándares de diseño actuales deben actualizarse para reflejar las características específicas de las vigas híbridas y proporcionar directrices más detalladas para su aplicación.
En conclusión, las vigas híbridas de acero ofrecen una combinación única de resistencia, sostenibilidad y economía. Los avances en fabricación, en métodos computacionales y en el análisis del ciclo de vida continúan impulsando su desarrollo. La colaboración entre instituciones académicas, la industria y los organismos reguladores será esencial para su adopción generalizada. La actualización de los códigos de diseño y la estandarización de los procesos de fabricación mejorarán su competitividad en proyectos de infraestructura a gran escala.
La durabilidad de los puentes está relacionada con una impermeabilización adecuada, ya que el hormigón vibrado no es totalmente estanco. Las segregaciones locales permiten la entrada de agua hasta las armaduras, lo que provoca la carbonatación, disgregación y corrosión de estas. Este efecto se intensifica en regiones donde se usan sales de deshielo para evitar la formación de hielo. Muchos problemas de durabilidad se deben a una impermeabilización y drenaje inadecuados.
La eficacia de la impermeabilización depende de factores como las condiciones climáticas, que pueden afectar a la integridad de los materiales. También es crucial el diseño estructural, que debe facilitar el drenaje y evitar la acumulación de agua. Para prevenir defectos en la impermeabilización, es esencial seleccionar materiales duraderos y compatibles con el entorno, y aplicarlos correctamente.
La selección del sistema de impermeabilización para un puente debe tener en cuenta factores como las características específicas de la estructura, incluidos los materiales, la geometría, el uso y las condiciones de carga; las condiciones climáticas y ambientales locales, como temperaturas extremas, humedad y exposición a agentes corrosivos; y los requisitos de mantenimiento y la vida útil esperada, ya que algunos sistemas requieren menos mantenimiento y ofrecen una mayor durabilidad. Es esencial consultar las normativas vigentes y, en caso de duda, recurrir a expertos en la materia para determinar la solución más adecuada.
Los sistemas de impermeabilización se clasifican en tratamientos in situ y el uso de láminas prefabricadas. Dentro de los tratamientos in situ, destacan varias técnicas según el tipo de material y el método de aplicación.
Tratamientos in situ:
Másticos bituminosos aplicados en caliente: Se colocan en una o dos capas con espesores de 5 a 20 mm. Para evitar la formación de ampollas por la mezcla caliente sobre un tablero húmedo, se aplica una capa de imprimación y otra de descompresión, generalmente un filtro de fibra de vidrio que comunica con la atmósfera.
Másticos bituminosos aplicados en frío: Formados por un agregado mineral fino, fibras minerales y una emulsión bituminosa aniónica de rotura lenta, y se aplican sobre un tablero limpio tras un riego de adherencia. La cantidad aplicada varía entre 3 y 6 kg/m² en función de la rugosidad de la superficie. Son fáciles de instalar, resistentes al tráfico de obra y poseen una excelente adherencia al firme.
Capas finas con materiales no bituminosos (resinas): Incluyen resinas epoxi, poliuretanos y poliésteres, que se aplican en espesores de 1,5 a 3 mm. Ofrecen alta resistencia química y gran adherencia al hormigón, aunque requieren una textura fina y ausencia de humedad en el tablero. Normalmente, se aplican dos capas de resina: la segunda se extiende una vez polimerizada la primera y, antes de que se seque por completo, se esparce arena para mejorar la adherencia con el pavimento. La imprimación del tablero no es indispensable, pero, si se realiza, se utiliza la misma resina diluida.
Capas finas con brea-epoxi: Este material mixto combina la flexibilidad de la brea y la adherencia del epoxi, y ofrece resistencia a bajas temperaturas y un coste moderado. Su espesor promedio es de 2 mm y se usa principalmente en estructuras flexibles como puentes metálicos. La técnica de aplicación es similar a la de las resinas sintéticas, con la diferencia de que en este caso es imprescindible utilizar la imprimación correspondiente, que es la misma mezcla fluidificada.
Láminas prefabricadas:
Dentro de las láminas prefabricadas de pequeño espesor (entre 1 y 2 mm) se incluyen:
Láminas bituminosas autoprotegidas: La cara superior está formada por una hoja de aluminio y la cara inferior está recubierta de una masilla bituminosa reforzada con fibras de vidrio. El espesor total varía entre 3 y 4 mm.
Láminas elastoméricas: Las más comunes están fabricadas con caucho butilo, caucho de cloropreno y etileno-propileno. Estas láminas destacan por su gran flexibilidad, aunque presentan el inconveniente de una adherencia deficiente con los materiales bituminosos. Por ello, en la instalación de pavimentos de este tipo es habitual aplicar una imprimación bituminosa sobre la lámina una vez colocada.
Láminas plásticas: Son de PVC reforzado con fibras sintéticas a lo largo de todo su espesor. Estas láminas no presentan adherencia.
Láminas de betún altamente modificado con polímeros: Estas láminas ofrecen una excelente flexibilidad, baja susceptibilidad térmica y elevada tenacidad y ductilidad.
Las láminas prefabricadas más delgadas suelen deteriorarse con facilidad por punzonamiento. Anteriormente, solía colocarse una capa de protección, generalmente una mezcla de arena y betún, entre la lámina y el pavimento. Hoy en día, salvo en el caso de las láminas con hoja superior de aluminio, es común que las láminas incorporen gravillas incrustadas en su cara superior, lo que no solo las protege frente al punzonamiento, sino que también mejora la adherencia con el pavimento. El objetivo principal de estas membranas es garantizar la estanqueidad en todas las zonas del tablero y evitar especialmente el paso de agua en las uniones con elementos como bordillos, sumideros, barreras y juntas de dilatación.
En los últimos años, se han desarrollado y aplicado técnicas y productos innovadores en este campo. A continuación, se presentan algunas de las novedades más destacadas:
Membranas líquidas de poliuretano: La aplicación de membranas líquidas de poliuretano ha surgido como una solución eficaz para impermeabilizar tableros de puentes. Estas membranas destacan por su alta elasticidad, resistencia química y larga vida útil. Además, su capacidad para adaptarse a geometrías diversas facilita su aplicación en estructuras complejas. La certificación ETE (Documento de Evaluación Técnica Europeo) garantiza la calidad y eficacia de estos productos.
Membranas asfálticas prefabricadas: Los sistemas de impermeabilización asfáltica, especialmente los que utilizan membranas prefabricadas SBS, han demostrado su eficacia en puentes y estacionamientos. Estos sistemas se aplican mediante termofusión, lo que garantiza una adherencia sólida y una protección duradera contra filtraciones.
Resinas de poliuretano bicomponente: La utilización de resinas de poliuretano bicomponente, libres de brea y alquitrán, ha ganado popularidad en la impermeabilización de tableros de puentes. Estas resinas se aplican sobre el hormigón del soporte, formando una capa impermeable que protege la estructura de las inclemencias meteorológicas y de la acción de agentes corrosivos.
Membranas de poliurea: La aplicación de poliurea ha demostrado su eficacia en la protección contra filtraciones en la impermeabilización de puentes ferroviarios. Para lograr una impermeabilización completa y duradera, es fundamental realizar un tratamiento previo de la superficie y aplicar imprimaciones adecuadas.
En las impermeabilizaciones no completamente adheridas al tablero del puente, el agua que pueda filtrarse a través de la capa impermeabilizante o condensarse debajo de ella se evacúa mediante respiraderos o tubos de ventilación. Estos dispositivos evitan la acumulación de presión de vapor que podría provocar ampollas en la impermeabilización. Los tubos se colocan en los puntos más bajos o se distribuyen a lo largo de toda la superficie, partiendo de la cara inferior de la impermeabilización y atravesando el tablero del puente.
La impermeabilización de puentes requiere un mantenimiento periódico para garantizar su eficacia a largo plazo. Es fundamental realizar inspecciones regulares para detectar posibles daños o deterioros y llevar a cabo las reparaciones pertinentes. Si hay fallos en la impermeabilización, es posible que sea necesario rehabilitar la membrana, lo que puede implicar eliminar la capa existente y aplicar un nuevo sistema de impermeabilización.
La impermeabilización de puentes requiere cumplir diversas normativas y estándares internacionales para garantizar la eficacia y durabilidad de las soluciones implementadas. A continuación, se presenta una relación exhaustiva de las normativas y estándares más importantes en este campo:
Normativas Europeas:
UNE-EN 13375:2020: Establece los requisitos para las láminas flexibles utilizadas en la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras superficies de hormigón expuestas al tráfico vehicular.
UNE-EN 14692:2017: Define las características de las láminas flexibles para la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras superficies de hormigón para tráfico de vehículos, incluyendo la determinación de la resistencia a la compactación de una capa asfáltica.
UNE-EN 14694:2017: Especifica los requisitos para las láminas flexibles en la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras superficies de hormigón para tráfico de vehículos, enfocándose en la resistencia a la presión dinámica de agua tras degradación por pretratamiento.
UNE-EN 14223:2017: Detalla las propiedades de las láminas flexibles para la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras zonas de hormigón para tráfico de vehículos, incluyendo la determinación de la absorción de agua.
UNE-EN 14691:2017: Establece los criterios para las láminas flexibles en la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras zonas de hormigón para tráfico de vehículos, enfocándose en la compatibilidad por acondicionamiento térmico.
UNE-EN 13653:2017: Define los requisitos para las láminas flexibles en la impermeabilización de tableros de puentes de hormigón y otras zonas de hormigón para tráfico de vehículos, incluyendo la determinación de la resistencia al pelado.
UNE-EN 12039:2017: Especifica las características de las láminas bituminosas para la impermeabilización de cubiertas, incluyendo la determinación de la adherencia de gránulos.
UNE-EN 12691:2018: Establece los requisitos para las láminas bituminosas, plásticas y de caucho en la impermeabilización de cubiertas, incluyendo la determinación de la resistencia al impacto.
UNE-EN 13583:2013: Define las características de las láminas bituminosas, plásticas y de caucho para la impermeabilización de cubiertas, incluyendo la determinación de la resistencia al granizo.
UNE-EN 17686:2023: Establece los requisitos para las láminas flexibles en la impermeabilización de cubiertas, incluyendo la determinación de la resistencia a la carga de viento del sistema constructivo de cubiertas con sistemas de impermeabilización adheridos.
Normativas Internacionales:
ASTM D6083: Estándar de la ASTM que especifica los requisitos para las membranas líquidas de poliuretano utilizadas en la impermeabilización de puentes.
ASTM D1970: Estándar de la ASTM que define los requisitos para las membranas autoadhesivas de asfalto utilizadas en la impermeabilización de puentes.
AASHTO M 323: Especificación de la American Association of State Highway and Transportation Officials que establece los requisitos para las membranas de impermeabilización de puentes.
Es fundamental consultar las normativas vigentes y, en caso de duda, recurrir a expertos en la materia para determinar la solución más adecuada. Además, es recomendable revisar las especificaciones técnicas de los fabricantes y las guías de buenas prácticas para asegurar una correcta aplicación de los sistemas de impermeabilización.
Os dejo un par de vídeos sobre impermeabilización de tableros de puentes. Espero que os sean de interés.
También os dejo este catálogo de Sika sobre la impermeabilización de puentes.
La construcción de estructuras de hormigón conlleva procesos técnicos complejos que requieren una planificación rigurosa y una ejecución meticulosa. Entre estos procesos, destacan la activación de la fuerza de pretensado y la inyección de armaduras, esenciales para mejorar el rendimiento estructural y la durabilidad. Este artículo aborda estos procedimientos y detalla principios teóricos, parámetros técnicos y normativas aplicables.
Tesado de armaduras activas
Armadura pasiva y vainas para el acero de postesado durante la construcción de un puente de sección cajón. De Störfix – Fotografía propia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=297005
El tesado de armaduras activas es el proceso mediante el cual se aplica una fuerza de pretensado al acero de refuerzo del hormigón. Esto aumenta la capacidad de carga, reduce las deformaciones y mejora la durabilidad de la estructura.
El proceso de tesado se basa en el principio de generar fuerzas internas en el acero que compensen las tensiones externas previstas durante la vida útil de la estructura. Al aplicar una fuerza controlada, el acero se somete a tracción y el hormigón a compresión, lo que mejora el comportamiento global del elemento estructural.
La operación de tesado deberá realizarse según un plan previamente establecido, teniendo en cuenta las recomendaciones del fabricante del sistema utilizado. Se deberá asegurar que el gato esté perpendicular y centrado sobre el anclaje y que la operación la lleve a cabo personal cualificado. El tesado debe realizarse de forma lenta y progresiva. Si se lleva a cabo en condiciones de bajas temperaturas, deberán tomarse precauciones especiales.
Si se rompe un elemento de la armadura, se podrá alcanzar la fuerza total de pretensado necesaria aumentando la tensión en los elementos restantes, sin exceder el 5 % del valor inicialmente previsto. En caso de que se pierda totalmente la fuerza de pretensado debido a la rotura de elementos irreemplazables de la armadura, la pérdida no podrá superar el 2 % de la fuerza de pretensado prevista en el proyecto.
La temperatura ambiente es un factor crítico. Debe evitarse el tesado a temperaturas inferiores a 5 °C, salvo que se implementen medidas específicas para compensar los efectos del frío, como el uso de equipos de calefacción en el área de trabajo. Además, el acero utilizado debe cumplir con normas internacionales como la EN 10080, que garantizan su calidad y resistencia.
La seguridad durante el tesado es un aspecto prioritario. Las medidas de seguridad incluyen protecciones detrás de los gatos y se prohibirá el paso entre dichas protecciones y el gato durante el izado. En las pretesas, es esencial colocar señales visibles que indiquen la carga máxima permitida para la que han sido proyectados los estribos de anclaje, así como delimitar las zonas de acceso restringido. Además, para evitar que las armaduras salten si se rompen durante el tesado, se deben utilizar placas horadadas, cubriéndolas o envolviéndolas. El tesado no se iniciará sin la autorización de la dirección de obra, que comprobará la idoneidad del programa de tesado y la resistencia del hormigón. Todo el proceso debe estar supervisado por personal técnico cualificado.
Armaduras pretesas
Hormigón pretensado en forma de viguetas. https://www.becosan.com/es/hormigon-pretensado/
Las armaduras pretesas se tensan antes del vertido del hormigón para garantizar que la fuerza se transfiera a la matriz del hormigón durante el fraguado. Este método se utiliza principalmente en la fabricación de elementos prefabricados, como vigas, losas y pilares.
El proceso de pretensado consiste en fijar los extremos de las armaduras en dispositivos de anclaje y aplicarles una fuerza controlada antes de verter el hormigón. Una vez que el hormigón alcanza la resistencia requerida, se libera la tensión de manera gradual, lo que permite que el hormigón absorba el esfuerzo de pretensado.
El programa de tesado deberá especificar el orden de tesado de las armaduras y, en su caso, las sucesivas etapas parciales de pretensado. También se deberá indicar la presión o fuerza que no debe sobrepasarse en los gatos, el valor de la carga de tesado en los anclajes y los alargamientos que deben obtenerse, teniendo en cuenta los movimientos originados por la penetración de la cuña. Además, se debe detallar el modo y la secuencia a seguir para liberar los tendones, así como la resistencia requerida del hormigón en el momento de la transferencia.
La adherencia de las armaduras activas al hormigón depende de la longitud de transmisión, necesaria para transferir al hormigón, por adherencia, la fuerza de pretensado introducida en las armaduras, y de la longitud de anclaje, que garantiza la resistencia del anclaje por adherencia hasta la rotura del acero. Estos factores dependen principalmente de tres elementos: el diámetro de la armadura, sus características superficiales y la resistencia del hormigón.
El destesado es la operación mediante la cual se transmite el esfuerzo de pretensado de las armaduras pretesas al hormigón, para lo cual se deben soltar de manera lenta, gradual y uniforme, sin sacudidas bruscas y de forma ordenada, con el fin de evitar asimetrías. Antes de iniciar esta operación, se verifica que el hormigón haya alcanzado la resistencia especificada, se eliminan obstáculos que impidan el movimiento de las piezas y se cortan las puntas de las armaduras que sobresalgan de las testas si van a quedar expuestas y no embebidas en el hormigón. El destesado prematuro representa un peligro debido a las pérdidas elevadas, mientras que el destesado brusco puede causar esfuerzos anormales, aumentar la longitud de transmisión y anclaje, y aumentar los riesgos de deslizamiento.
Armaduras postesas
Anclajes de hormigón postesado. https://www.becosan.com/es/hormigon-pretensado/
Las armaduras postesas se tensan una vez fraguado el hormigón, lo que permite una mayor flexibilidad en el diseño de estructuras complejas. Se utilizan comúnmente en grandes puentes, viaductos y edificios importantes.
Durante el proceso, los tendones se colocan dentro de vainas que atraviesan el hormigón. Una vez fraguado, se aplican fuerzas de pretensado mediante gatos hidráulicos y se fijan los extremos con cuñas especiales que aseguran la transferencia de cargas a largo plazo.
El programa de tesado deberá especificar expresamente la secuencia detallada de tesado de las armaduras, la presión o fuerza que debe desarrollarse en el gato, los alargamientos esperados y la máxima penetración de la cuña, así como el momento de retirada de las cimbras durante el tesado, si procede. También se deberá indicar la resistencia requerida del hormigón antes del tesado, el número, el tipo y la localización de los acopladores, así como la necesidad de protección temporal si el tesado se realiza en etapas sucesivas. El tesado no se iniciará sin la autorización de la dirección de obra, que comprobará la idoneidad del programa de tesado y la resistencia del hormigón. Cada etapa debe ejecutarse en condiciones de control estrictas, registrándose cada operación para su posterior verificación y trazabilidad.
La tensión máxima inicial admisible en las armaduras se limita con el fin de disminuir riesgos como la rotura o la corrosión. El valor máximo de la tensión en las armaduras antes de anclarlas no podrá exceder el menor de los siguientes valores: el 75 % de la carga unitaria máxima característica o el 90 % del límite elástico característico. De forma temporal, esta tensión podrá aumentarse hasta alcanzar uno de los siguientes valores: el 85 % de la carga unitaria máxima característica o el 95 % del límite elástico característico.
Proceso postesado. Fuente: Catálogo Stronghold
El proceso de tesado consta de varias fases secuenciales, cuidadosamente planificadas, para garantizar la correcta transferencia de la fuerza de pretensado. En primer lugar, se colocan y alinean los gatos hidráulicos frente a los anclajes, asegurándose de que queden perpendiculares y centrados para evitar desviaciones.
Una vez posicionados, se inicia el proceso de aplicación de fuerza de forma gradual y continua. La presión se incrementa en etapas controladas para evitar tensiones repentinas que puedan causar daños estructurales. Durante esta fase, se realiza un seguimiento constante de la presión y del alargamiento de las armaduras.
A medida que el acero se alarga, hay que verificar los anclajes y realizar ajustes si es necesario. El equipo técnico debe registrar cada paso, documentando las presiones aplicadas, los alargamientos medidos y los incidentes que puedan ocurrir durante el proceso.
Una vez alcanzada la fuerza especificada en el proyecto, se fijan definitivamente las armaduras mediante cuñas mecánicas o dispositivos de anclaje hidráulico. De este modo, se asegura que el acero mantenga la tensión aplicada incluso después de retirar los equipos de tesado.
Por último, se llevan a cabo inspecciones visuales y técnicas para confirmar que el proceso de tesado se ha realizado correctamente. Cualquier anomalía detectada debe corregirse antes de pasar a la siguiente fase de construcción.
El control del tesado implica medir simultáneamente el esfuerzo ejercido por el gato y el alargamiento de la armadura, con una precisión de ±2 % del recorrido total. Se debe garantizar que la fuerza de pretensado se mantenga dentro de ±5 % del valor de proyecto y que los alargamientos sean de ±15 % para un tendón particular y de ±5 % para la suma de todos los valores en la misma sección. Para facilitar el control, se utilizará una tabla de tesado que incluirá los datos del programa, la identificación de los tendones, los resultados del tesado y los incidentes. Los datos recopilados deben documentarse con todo detalle, incluyendo las desviaciones y las correcciones realizadas.
El retesado de armaduras postesas se define como cualquier operación de tesado efectuada sobre un tendón después de su tesado inicial. Este procedimiento solo está justificado si es necesario para uniformar las tensiones de los diferentes tendones de un mismo elemento o si está previsto en el programa el tesado en etapas sucesivas. No se debe realizar un retesado con el único objetivo de disminuir las pérdidas diferidas de tensión, salvo en circunstancias especiales.
Antes de proceder con el retesado, se realiza una evaluación exhaustiva de la estructura para determinar si es necesario realizarla. El procedimiento debe ajustarse al programa de tesado original y a las condiciones actuales del proyecto. Las presiones aplicadas durante el retesado deben controlarse con cuidado para evitar daños en los elementos estructurales.
Además, es fundamental recalibrar los equipos de tesado antes de iniciar esta operación para garantizar que los valores aplicados sean precisos. Una vez finalizado, deben realizarse nuevas inspecciones y pruebas de carga para verificar la efectividad del proceso.
Inyección de armaduras
La inyección de lechada es fundamental para proteger las armaduras de pretensado contra la corrosión y garantizar su adherencia al hormigón. Este proceso consiste en llenar los conductos que albergan los tendones con una mezcla diseñada para resistir agresiones químicas y ambientales. Debe realizarse lo antes posible tras el tesado.
La preparación de la mezcla de inyección es una etapa clave para garantizar el correcto funcionamiento del sistema de pretensado. La lechada es una mezcla cuidadosamente dosificada de cemento, agua y aditivos específicos. La proporción de estos componentes se calcula en función de factores como la temperatura ambiente, el tipo de estructura y las condiciones específicas del lugar de construcción.
El proceso de mezclado debe realizarse con equipos mecánicos especializados que aseguren una mezcla homogénea y libre de grumos. El tiempo de mezclado oscila entre 2 y 4 minutos, aunque puede prolongarse si se utilizan aditivos retardadores, en caso de prever un tiempo de más de 30 minutos antes de la inyección.
La relación agua-cemento debe mantenerse dentro de márgenes estrictos, generalmente entre 0,4 y 0,5, para garantizar una consistencia coloidal que facilite el flujo de la lechada a través de los conductos. Además, es indispensable realizar pruebas preliminares para verificar la fluidez, la resistencia inicial y la adherencia.
La temperatura de la mezcla no debe exceder los 30 °C para evitar fraguados prematuros. Si se anticipa una demora en el proceso de inyección, se pueden incorporar aditivos estabilizantes que prolonguen la trabajabilidad de la lechada sin afectar a sus propiedades mecánicas.
Finalmente, antes de proceder con la inyección, se debe inspeccionar visual y técnicamente el equipo de mezclado para garantizar su correcto funcionamiento y evitar contaminaciones o errores en la dosificación.
La ejecución de la inyección requiere una planificación detallada que tenga en cuenta las condiciones del proyecto y las especificaciones técnicas establecidas. El programa de inyección debe contener, al menos, las características de la lechada (tiempos), las del equipo de inyección, la limpieza de los conductos, la secuencia de operaciones y los ensayos a realizar, las probetas para los ensayos, el volumen de lechada a preparar y la previsión de incidentes, entre otros aspectos. Se deben utilizar equipos de inyección calibrados para garantizar la aplicación continua y uniforme de la lechada.
La ejecución de la inyección de armaduras postesas requiere comprobar previamente las siguientes condiciones: el equipo de inyección, la bomba de inyección auxiliar, el suministro permanente de agua a presión y aire comprimido, el exceso de materiales para el amasado del producto de inyección, las vainas libres de materiales perjudiciales, los conductos a inyectar preparados e identificados y los ensayos de control de la lechada preparados.
El proceso comienza con la conexión segura del equipo de inyección a los conductos. La inyección debe realizarse bajo las siguientes condiciones: la longitud máxima de inyección no debe superar los 120 m y, en tiempo frío, se debe asegurar de que no haya hielo en los conductos, inyectando agua caliente si es necesario. Queda prohibido efectuar la inyección con aire comprimido. La inyección debe ser continua e ininterrumpida, con una velocidad de avance constante entre 5 y 15 m/min, y debe realizarse desde puntos bajos para garantizar un llenado completo y evitar bolsas de aire. El proceso finaliza cuando la lechada comienza a rebosar por los puntos de purga con la misma consistencia que la mezcla inicial. Una vez finalizada la operación, se obstruyen herméticamente los orificios de purga para evitar la entrada de aire o humedad que pueda afectar a la durabilidad de la estructura. La presión de inyección se ajusta cuidadosamente para garantizar una distribución uniforme del material y minimizar el riesgo de rotura de los conductos.
La inspección de la inyección debe incluir la elaboración de un informe para cada inyección, en el que se anoten las características del producto, la temperatura ambiente en el momento de la inyección, el tipo de cemento utilizado, el aditivo incorporado a la mezcla (si corresponde) y su dosificación, la relación agua/cemento elegida, el tipo de mezclador, la duración del mezclado y las probetas fabricadas para controlar las condiciones relativas a los productos de inyección. Estos informes deben archivarse como parte de los registros permanentes de la obra.
La seguridad durante la inyección debe extremarse. El personal involucrado debe recibir capacitación específica en técnicas de inyección y en procedimientos de seguridad. Es obligatorio el uso de equipos de protección individual, como guantes, gafas y cascos, especialmente en áreas donde exista riesgo de contacto con productos químicos. Está prohibido que los operarios miren a través de los tubos o de los rebosaderos.
Durante la inyección, debe establecerse un perímetro de seguridad en torno a la zona de trabajo para prevenir accidentes. Además, es imprescindible realizar inspecciones visuales y técnicas en tiempo real para detectar posibles fugas, obstrucciones o anomalías en la aplicación.
Por último, una auditoría posterior a la inyección debe verificar que todos los conductos se han llenado correctamente y que las purgas se han realizado conforme a los estándares. Este control garantiza que el sistema de pretensado funcione de manera óptima y se mantenga con el paso del tiempo.
Consideraciones normativas
Las operaciones relacionadas con el pretensado y la inyección deben cumplir con estándares técnicos específicos que garanticen la seguridad, la durabilidad y la funcionalidad de las estructuras construidas. La normativa europea EN 13391 regula los dispositivos de anclaje utilizados en el pretensado y especifica los requisitos de diseño, de resistencia y los métodos de prueba.
El Código Estructural establece pautas detalladas para el diseño y la ejecución de elementos pretensados, incluidos los procedimientos de tesado, inyección y control de calidad. También exige que cada etapa del proceso esté documentada y supervisada por profesionales acreditados.
En proyectos internacionales, normas como la ACI 318 (American Concrete Institute) establecen criterios adicionales para el cálculo estructural y la verificación de los materiales. El cumplimiento de estas normativas garantiza la integridad estructural, la capacidad portante y la resistencia a condiciones adversas durante la vida útil de la estructura.
Además, los reglamentos de seguridad laboral exigen que los operarios estén certificados y se implementen medidas de protección para evitar accidentes. El seguimiento estricto de estas disposiciones permite minimizar riesgos y garantizar el éxito del proyecto desde la fase inicial hasta la finalización.
Conclusión
La activación de la fuerza de pretensado y la inyección en construcciones de hormigón son procesos técnicos esenciales. Si se siguen procedimientos detallados, normas específicas y controles de calidad rigurosos, su correcta aplicación garantiza estructuras seguras y duraderas.
Dejo a continuación unos vídeos que, espero, os resulten interesantes.
A continuación, os dejo una presentación de Luis Cosano, del departamento técnico de Freyssinet, S.A. Espero que os sea de interés.
El diseño estructural de los edificios plantea importantes retos para garantizar su seguridad y sostenibilidad. El colapso progresivo, provocado por eventos extremos como terremotos o explosiones, puede ocasionar daños catastróficos. Para reducir este riesgo, se propone una metodología de diseño apoyada en metamodelos que combina optimización estructural y criterios de seguridad, y que tiene en cuenta elementos que a menudo se pasan por alto, como los forjados, las pantallas de arriostramiento y la interacción suelo-estructura (SSI, por sus siglas en inglés).
El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. También es fruto de la colaboración con investigadores de Brasil y Cuba.
Metodología
Descripción del problema
Se estudiaron cinco edificios de pórticos de hormigón armado con diferentes configuraciones de plantas y luces. Las estructuras incluyen vigas, columnas, forjados y pantallas de arriostramiento. Además, se incorporó el diseño optimizado de cimentaciones, considerando la interacción con el suelo mediante modelos de elasticidad lineal. Las dimensiones de los elementos estructurales se ajustaron siguiendo las normas internacionales de diseño y se consideraron distintas combinaciones de carga para evaluar escenarios críticos.
Se realizaron simulaciones numéricas avanzadas que tuvieron en cuenta escenarios de carga extremos, incluyendo la pérdida de columnas críticas en diversas posiciones. En el análisis se tuvieron en cuenta factores de seguridad, límites de servicio y fallos estructurales para determinar los diseños óptimos. También se tuvieron en cuenta criterios de sostenibilidad y se midieron las emisiones de CO₂ asociadas a cada solución.
Optimización basada en un diseño robusto frente al colapso progresivo (ObRDPC)
La metodología ObRDPC se centra en minimizar las emisiones de CO₂ como función objetivo, garantizando simultáneamente la robustez estructural mediante restricciones de seguridad. Para evaluar el colapso progresivo y simular la pérdida de columnas críticas, así como analizar la redistribución de cargas, se empleó el método de camino alternativo (AP). La metodología incluye la verificación de estados límite últimos y de servicio, lo que garantiza el cumplimiento de los requisitos normativos.
El proceso de optimización incluye la definición precisa de las variables de diseño, como las dimensiones de las vigas, columnas y cimentaciones, así como el tipo de hormigón utilizado. Para maximizar la eficiencia estructural y minimizar los costos ambientales, se aplican técnicas de programación matemática.
Modelización de forjados y pantallas de arriostramiento
Forjados: se modelaron como elementos tipo placa de 12 cm de espesor y se conectaron a las vigas mediante nodos rígidos para asegurar la continuidad estructural. Se realizó una discretización adecuada para representar su comportamiento realista ante cargas verticales y horizontales. El análisis incluyó el comportamiento a flexión, los efectos de cargas concentradas y la interacción con los elementos perimetrales. Se consideraron diferentes configuraciones de refuerzo para maximizar la resistencia y minimizar las deformaciones.
Pantallas de arriostramiento: representadas mediante diagonales equivalentes elásticas, según las especificaciones normativas. Se definieron sus propiedades mecánicas mediante modelos experimentales previos, incluyendo el módulo de elasticidad y la resistencia a compresión. Se estudiaron distintos tipos de mampostería y su influencia en la resistencia general. Las pantallas de arriostramiento también se evaluaron como elementos activos en la redistribución de cargas después de eventos que provocan la pérdida de soporte, lo que mejora la estabilidad global del sistema estructural.
Interacción suelo-estructura (SSI)
Se consideró el asentamiento diferencial de las cimentaciones mediante coeficientes de rigidez calculados según modelos elásticos. El suelo se modeló como un medio elástico semiespacial. En el análisis se incluyó la interacción entre la superestructura y el terreno para capturar los efectos de asentamientos desiguales y su impacto en el estado de esfuerzos y deformaciones.
En el análisis se tuvieron en cuenta diferentes tipos de suelos, desde arcillas de baja resistencia hasta suelos granulares compactados. Se realizaron estudios paramétricos para evaluar la sensibilidad del sistema a variaciones en la rigidez del terreno y el módulo de elasticidad del hormigón.
Cinco estudios de casos que consideran la modelización de cimientos, forjados y pantallas de arriostramiento.
Optimización asistida por metamodelos
Se utilizaron técnicas avanzadas de optimización asistida por metamodelos para reducir la carga computacional. El proceso incluyó un muestreo inicial mediante muestreo hipercúbico latino para cubrir eficientemente el espacio de diseño, seguido de la construcción del metamodelo a través de técnicas de interpolación Kriging para aproximar las respuestas estructurales, evaluando múltiples configuraciones para garantizar la precisión. Posteriormente, se aplicó una optimización global utilizando algoritmos evolutivos, como la Biogeography-based Optimization (BBO), para explorar soluciones factibles y un método iterativo para refinar las soluciones y garantizar su viabilidad en condiciones críticas.
Resultados
Impacto de forjados y pantallas de arriostramiento
La inclusión de forjados y pantallas de arriostramiento mejoró significativamente la redistribución de cargas y la resistencia al colapso progresivo. El análisis mostró una reducción del 11 % en el impacto ambiental para diseños resistentes al colapso, en comparación con modelos que solo consideran vigas y columnas.
Se observó una mejora notable en la capacidad de redistribución de cargas después de la pérdida de columnas críticas. Las pantallas de arriostramiento actuaron como elementos resistentes adicionales, mitigando fallos en los elementos primarios y reduciendo los desplazamientos globales.
Comparación de enfoques de diseño
Se observó que aumentar el número de niveles incrementa la robustez estructural debido a la mayor redundancia de elementos. Sin embargo, el incremento de la longitud de las luces de las vigas reduce esta capacidad, por lo que es necesario utilizar secciones más robustas y aplicar mayores refuerzos.
Los modelos con luces de 8 m presentaron un aumento del 50 % en las emisiones de CO₂ cuando no se incluyeron forjados ni pantallas de arriostramiento. Al incorporarlos, se consiguió reducir este incremento a la mitad.
Recomendaciones prácticas para el diseño estructural
Incluir forjados y pantallas de arriostramiento: Su integración mejora significativamente la resistencia al colapso progresivo, particularmente en edificios con luces amplias.
Optimizar secciones estructurales: Diseñar secciones de vigas y columnas equilibrando rigidez y eficiencia económica.
Evaluar diferentes tipos de cimentaciones: Incorporar análisis de interacción suelo-estructura para definir bases óptimas.
Aplicar análisis paramétricos: Evaluar la sensibilidad de los diseños a variaciones en la resistencia del hormigón y las condiciones geotécnicas.
Considerar combinaciones de carga extremas: Simular múltiples fallos para garantizar diseños robustos y seguros.
Conclusión
La optimización basada en un diseño robusto frente al colapso progresivo (ObRDPC) permite diseñar estructuras resistentes al colapso progresivo con menor impacto medioambiental. El uso de metamodelos y la consideración de forjados, pantallas de arriostramiento y la interacción suelo-estructura mejoran significativamente la seguridad estructural y la sostenibilidad del diseño. Se recomienda ampliar esta investigación a otros tipos de estructuras y condiciones geotécnicas complejas para validar y perfeccionar la metodología propuesta.
