Categoría: estructuras

Optimización estructural multiobjetivo en edificios: cómo reducir costos y emisiones con vigas de sección variable

Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Energy and Buildings, de la editorial Elsevier, indexada en D1 del JCR. El estudio presenta una tipología estructural compuesta que combina columnas de hormigón armado con vigas de acero de sección variable híbrida transversal (THVS) para optimizar el coste económico, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada en la construcción de edificios.

Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal, junto con el profesor Julián Alcalá, en la Universitat Politècnica de València.

El estudio plantea la siguiente pregunta de investigación: ¿en qué medida la optimización del diseño estructural de edificios en marco mediante el uso de una tipología compuesta con columnas de hormigón armado y vigas de sección variable transversamente híbridas (THVS) contribuye a la reducción del coste económico, de las emisiones de CO₂ y de la energía incorporada en la construcción?

Esta formulación permite abordar de manera precisa la problemática del impacto ambiental y económico del sector de la construcción, orientando la investigación hacia la identificación de configuraciones estructurales que minimicen estos factores mediante metodologías de optimización. La pregunta define claramente el problema central: la búsqueda de una alternativa estructural más eficiente que las tipologías tradicionales de hormigón armado.

Metodología

El estudio adopta un enfoque de optimización estructural basado en la combinación de Biogeography-Based Optimization (BBO) y Constrained Deterministic Local Iterative Search (CDLIS). Este enfoque permite buscar de manera eficiente soluciones en un espacio de diseño altamente complejo. Se analizan tres tipologías estructurales:

  1. Estructura tradicional de hormigón armado: Se optimizan las dimensiones de vigas, columnas y cimentaciones, así como la calidad del hormigón utilizado.
  2. Estructura compuesta con vigas THVS y uniones rígidas: Se sustituyen las vigas de hormigón armado por vigas THVS con conexiones fijas a las columnas.
  3. Estructura compuesta con vigas THVS y uniones articuladas: Similar a la anterior, pero con conexiones articuladas.

Las funciones objetivo optimizadas incluyen:

  • Coste económico: Calculado con base en los precios unitarios de materiales y procesos constructivos.
  • Emisiones de CO₂(e): Evaluadas según un enfoque «cradle-to-site», considerando la extracción de materias primas, fabricación y construcción.
  • Energía incorporada: Calculada en términos de consumo energético total en las fases de producción y construcción.

Se tienen en cuenta restricciones estructurales y de servicio según las normativas de diseño. Además, se implementa la interacción suelo-estructura mediante un modelo de tipo Winkler para evaluar los asentamientos diferenciales y su efecto en el diseño estructural.

Aportaciones relevantes

  • La tipología compuesta con vigas THVS y conexiones rígidas logra una reducción del 6 % en costes económicos, del 16 % en emisiones de CO₂ y del 11 % en energía incorporada para edificios con luces de 4 m.
  • Para edificios con luces de 8 m, la configuración con uniones articuladas permite reducir los costos económicos y las emisiones en un 5 % y un 6 %, respectivamente, aunque con un mayor consumo de energía.
  • Se demuestra que la menor carga axial transmitida por las vigas THVS reduce las solicitaciones en columnas y cimentaciones, lo que optimiza su diseño y reduce su impacto ambiental.
  • Se comprueba que el uso de acero de mayor calidad en las alas de las vigas THVS en comparación con el alma mejora la eficiencia estructural, con razones de hibridación (Rh) entre 1,2 y 2,0.

Discusión de resultados

El análisis de los resultados revela diferencias significativas entre las configuraciones estructurales. En los edificios con luces reducidas (4 m), las vigas THVS con uniones rígidas ofrecen el mejor rendimiento en términos de coste y sostenibilidad. En cambio, en edificios con luces mayores (8 m), las conexiones articuladas permiten un mejor aprovechamiento del material, aunque con una menor rigidez global.

Cabe destacar que la consideración de elementos de rigidización adicionales, como muros y losas, mejora notablemente el comportamiento de la tipología articulada, reduciendo su impacto ambiental en un 45 % y disminuyendo en un 60 % la carga axial sobre las columnas.

Líneas futuras de investigación

  • Perfeccionamiento del proceso de fabricación de vigas THVS, abordando aspectos como soldadura, control de calidad y optimización de ensamblaje.
  • Desarrollo de conexiones híbridas entre vigas THVS y columnas de hormigón armado, mejorando la eficiencia de transferencia de cargas.
  • Exploración de configuraciones mixtas de soporte, optimizando la selección de conexiones fijas o articuladas según las características del edificio.
  • Evaluación del comportamiento ante cargas dinámicas y sísmicas, considerando efectos de fatiga y estabilidad estructural.
  • Implementación de metamodelos para optimización computacional, reduciendo el tiempo de cálculo en simulaciones de alta fidelidad.

Conclusión

La optimización del diseño estructural de edificios en marco mediante el uso de vigas THVS permite reducir costes y mejorar la sostenibilidad ambiental. Las configuraciones con conexiones rígidas son particularmente eficientes en luces cortas, mientras que las conexiones articuladas son una alternativa viable en luces mayores cuando se combinan con elementos de rigidización adicionales. Estos hallazgos abren nuevas líneas de investigación en la aplicación y mejora de sistemas estructurales compuestos en ingeniería civil.

Referencia:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Design optimization of a composite typology based on RC columns and THVS girders to reduce economic cost, emissions, and embodied energy of frame building construction. Energy and Buildings, 336:115607. DOI:10.1016/j.enbuild.2025.115607

 

Claude-Louis-Marie-Henri Navier: Pionero de la mecánica estructural y la teoría de la elasticidad

Claude-Louis-Marie-Henri Navier (1785-1836). https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1568282

Claude-Louis-Marie-Henri Navier nació el 15 de febrero de 1785 en Dijon, Francia, en el seno de una familia distinguida. Su padre, un prestigioso abogado que fue miembro de la Asamblea de Notables y de la Asamblea Legislativa, falleció prematuramente debido a los estragos causados por los excesos de la Revolución Francesa. A la temprana edad de 14 años, Navier quedó huérfano y su educación fue confiada a su tío, Émiland-Marie Gauthey (1732-1806), ingeniero del Corps des Ponts et Chaussées, célebre por su trabajo en la construcción del Canal du Centre. Bajo su tutelaje, Navier demostró un avance notable en las ciencias, lo que resultó en su admisión en la prestigiosa École Polytechnique en 1802, donde se distinguió por obtener una de las calificaciones más altas. Dos años más tarde, ingresó en la École des Ponts et Chaussées, donde consolidó su formación como ingeniero. En el entorno académico y práctico que le rodeaba, Navier inició su colaboración con su tío, lo que le permitió desarrollar una sólida capacidad para aplicar la teoría a la práctica.

En 1807, Gauthey falleció, un año antes de que Navier obtuviera el título de ingeniero ordinario. Consciente de su deber moral de completar la labor de su mentor, Navier asumió sacrificios personales para conservar todos sus manuscritos. Comenzó su publicación en 1813 con el Traité de la Construction des Ponts, al que enriquecería con numerosas anotaciones. La redacción de esta obra se vio interrumpida temporalmente debido a una misión encomendada por el conde Molé para la reconstrucción de los muelles del Tíber en Roma, un proyecto que quedó inconcluso tras los acontecimientos políticos de 1814.

En 1816, con el objetivo de preservar el legado de su tío, publicó un tratado sobre los canales de navegación de Gauthey, incorporando notas detalladas sobre el Canal du Centre. Paralelamente, se involucró en proyectos de ingeniería de gran envergadura, tales como la construcción de los puentes de Choisy, Asnières y Argenteuil, así como la puerta de entrada a la ciudad de París.

En 1818, Navier publicó en los Annales de Chimie et de Physique un estudio influyente en el que empleaba el principio de las fuerzas vivas para resolver problemas de mecánica con gran simplicidad y claridad. Al año siguiente, refinó su planteamiento mediante la introducción del concepto de cantidad de acción, definido previamente por Coulomb y posteriormente perfeccionado por Coriolis. Estos trabajos le valieron el reconocimiento académico, y en 1819 fue nombrado profesor suplente de Mecánica Aplicada en la École des Ponts et Chaussées, puesto que ocuparía como titular en 1831.

En 1821, Navier publicó su Mémoire sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques, una obra fundamental en la que estableció los principios de la teoría general de la elasticidad y la mecánica molecular. Su trabajo sirvió de base para los desarrollos posteriores de Cauchy, Poisson, Lamé y Clapeyron, y representó un hito en la formulación del cálculo de la energía potencial y el trabajo virtual aplicado a sistemas mecánicos.

A pesar de su sólida formación teórica, Navier no descuidó las aplicaciones prácticas. En 1822, tras un viaje de estudio a Inglaterra, presentó un informe sobre los métodos de construcción de carreteras de MacAdam, en el que analizó las razones de su superioridad frente a las técnicas francesas. En 1823, se publicó una reedición ampliada de las obras de Bélidor sobre presión de tierras, muros de contención y teoría de bóvedas. En ese mismo año, publicó su influyente estudio sobre puentes colgantes, resultado de sus observaciones en Inglaterra y Escocia, el cual fue descrito por Charles Dupin como un avance que permitiría a Francia liderar en ese campo de la ingeniería.

El 26 de enero de 1824, la Académie des Sciences reconoció su trabajo eligiéndolo miembro de la sección de Mecánica. Sin embargo, su carrera sufrió un revés con la fallida construcción del puente colgante del Pont des Invalides en París. A pesar de los extensos estudios teóricos y experimentales que precedieron a su ejecución, la aparición de ligeros movimientos en los cimientos y la ruptura de una conducción de agua generaron una reacción adversa en la opinión pública. A pesar de que la reparación era técnicamente sencilla, las críticas llevaron al abandono del proyecto, marcando una gran decepción en la trayectoria de Navier.

Entre los años 1828 y 1829, se produjo un intercambio de ideas de gran intensidad con Poisson sobre el cálculo de la resistencia de los materiales. Las críticas de Poisson fueron consideradas posteriormente como infundadas o exageradas. Sin embargo, en 1828, tuvo la satisfacción de ver cómo Lamé y Clapeyron, en un estudio sobre la teoría de bóvedas, llegaban a ecuaciones que él mismo había formulado previamente.

En 1830, Navier fue distinguido con el nombramiento de profesor de Análisis y Mecánica en la prestigiosa École Polytechnique, donde se distinguió por la claridad de su enseñanza y su destreza en la representación gráfica. En 1832, Coriolis lo reemplazó temporalmente en sus funciones docentes, lo que le permitió dedicarse plenamente a sus investigaciones. Falleció inesperadamente en agosto de 1836, dejando un vasto legado en la teoría de estructuras y la mecánica aplicada. Su pérdida fue profundamente lamentada en el ámbito académico, y sus estudiantes de la École Polytechnique le rindieron un emotivo homenaje en su funeral. Es uno de los 72 científicos cuyo nombre figura inscrito en la Torre Eiffel.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

  • Leçons données à l’École Royale des Ponts et Chaussées sur l’Application de la Mécanique (1820)
  • Rapport et Mémoire sur les Ponts suspendus (1823/1)
  • Extrait des recherches sur la flexion des plans élastiques (1823/2)
  • Sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques (1823/3)
  • Résumé des Leçons données à l’École Royale des Ponts et Chaussées sur l’Application de la Mécanique à l’Établissement des Constructions et des Machines (1826)
  • Mémoire sur les lois de l’équilibre et du mouvement des corps solides élastiques (1827)
  • Bericht an Herrn Becquey, Staats-Rath und General-Direktor des Strassen-, Brücken- und Berg-Baues, und Abhandlung über die (Ketten-)Hängebrücken von Herrn Navier (1829)
  • Résumé des Leçons données à l’École des Ponts et Chaussées sur l’Application de la Mécanique à l’Établissement des Constructions et des Machines (1833)
  • Mechanik der Baukunst (Ingenieur-Mechanik) oder Anwendung der Mechanik auf das Gleichgewicht von Bau-Constructionen (1833/1851, 1833/1878)
  • Résumé des leçons données à l’École des Ponts et Chaussées sur l’application de la mécanique à l’établissement des constructions et des machines, avec des Notes et des Appendices par M. Barré de Saint-Venant (1864)

Claude-Louis Navier dejó una huella imborrable en el campo de la teoría de estructuras y la mecánica aplicada. Sus investigaciones y aportaciones teóricas han sentado las bases de la ingeniería moderna, lo que lo convierte en una de las figuras más influyentes en la historia de esta disciplina.

Josef Melan: trayectoria y contribuciones a la ingeniería de puentes

Josef Melan (1854–1941). https://jam.jihlava.cz/en/architect/3-josef-melan

Josef Melan fue un ingeniero austríaco ampliamente reconocido por su destacado papel en el desarrollo de la construcción de puentes de hormigón armado a finales del siglo XIX. Se le acredita la invención del Sistema Melan, un método innovador para la construcción de puentes reforzados. A diferencia de los enfoques previos, su sistema no incorporaba barras de hierro dentro de la estructura de hormigón armado, sino que empleaba arcos de celosía rígidos de hierro como elemento de refuerzo.

En 1898, Melan alcanzó un reconocimiento significativo tras la construcción de un puente de 42,4 m de luz en Steyr, caracterizado por un arco de altura reducida. En su momento, esta obra representó el mayor puente de hormigón armado a nivel mundial. Entre sus proyectos más notables se encuentra el Puente del Dragón en Liubliana, una de las primeras estructuras de gran escala en emplear su innovador sistema constructivo.

Nacido el 18 de noviembre de 1853 en Viena, entonces parte del Imperio austrohúngaro, Melan falleció el 6 de febrero de 1941 en Praga, en la anterior Checoslovaquia. Inició sus estudios de ingeniería civil en la Universidad Técnica de Viena en 1869 y los completó en 1874. Posteriormente, tras su graduación, se desempeñó como asistente de Emil Winkler en la cátedra de Ingeniería Ferroviaria y Construcción de Puentes, marcando así el inicio de su destacada trayectoria académica y profesional.

En 1880, presentó su tesis de habilitación sobre la teoría de puentes y ferrocarriles en la misma universidad, donde ejerció como docente hasta 1886. Durante este período, además de su labor académica, desarrolló actividades profesionales en los departamentos de diseño de la empresa de construcción de puentes Ignaz Gridl y junto al contratista Gaertner, ambos con sede en Viena. En 1880, fue nombrado profesor asociado de mecánica estructural y estática gráfica en la Universidad Técnica Alemana de Brno, y en 1890 ascendió a catedrático en la misma especialidad. Posteriormente, en 1895, asumió la Cátedra de Construcción de Puentes, y en 1902 pasó a ocupar el mismo cargo en la Universidad Técnica Alemana de Praga (fundada en 1717), donde trabajó hasta su jubilación en 1923.

Durante su estancia en Viena, Melan inició el desarrollo de cálculos relacionados con la deformación estática en grandes puentes colgantes, con el propósito de optimizar su diseño y reducir costes. En 1888, Melan publicó los resultados de sus investigaciones, lo que atrajo la atención de su antiguo compañero de estudios, Gustav Lindenthal, quien le encargó la revisión estructural del Williamsburg Bridge de Nueva York, el puente colgante más grande del mundo en aquella época.

Paralelamente, ese mismo año, el ingeniero Victor Brausewetter, en colaboración con el fabricante de cemento Adolf Pittel, fundó la empresa Pittel & Brausewetter y promovió la creación de una asociación dedicada a la realización de ensayos comparativos de carga sobre estructuras abovedadas. Estos ensayos abarcaban desde bóvedas de fábrica en hormigón simple hasta elementos de hormigón armado. Desde 1886, la empresa de Gustav Adolf Waysse ya había construido estructuras basadas en la patente de Joseph Monier, con refuerzo de malla de acero en ambas direcciones. No obstante, tras un exhaustivo análisis de los ensayos mencionados, Melan expresó su escepticismo respecto al sistema, manifestando reservas en cuanto a la resistencia de los alambres empleados.

En 1892, presentó su propio y revolucionario sistema estructural, basado en un refuerzo longitudinal rígido para bóvedas, que sentó las bases de la arquitectura moderna. Para estructuras de menor luz, se utilizaron vigas en L dobladas, mientras que para las de mayor envergadura se emplearon cerchas metálicas. Gracias a su mayor capacidad portante, este método fue rápidamente adoptado en la construcción de techos en almacenes, fábricas y grandes naves industriales. Una innovación notable fue la posibilidad de suspender el encofrado del propio refuerzo y hormigonar los arcos sin necesidad de cimbras de anillos. Pittel & Brausewetter realizó pruebas de este sistema entre 1893 y 1895 en edificaciones de menor escala, aunque lamentablemente ninguna de ellas ha perdurado hasta nuestros días.

Uno de sus discípulos, Fritz Emperger, desempeñó un papel fundamental en la difusión del método de Melan. En 1893, fundó en la ciudad de Nueva York la Melan Arch Construction Company, que en 1894 se encargó del diseño y la construcción de dos puentes en Rock Rapids (Iowa) y Cincinnati (Ohio). Antes de que finalizara el siglo, su empresa había construido veintisiete puentes más, entre ellos el puente sobre el río Kansas en Topeka (Kansas), edificado entre 1896 y 1897, con cinco arcos de 30 metros de luz cada uno.

A pesar del éxito de su sistema en Estados Unidos, la comunidad técnica europea mantuvo una actitud escéptica hasta que Melan diseñó en 1896 un puente en Steyr, construido bajo la supervisión de Victor Brausewetter en 1898. Esta estructura, ubicada en la ciudad de Steyr, Alta Austria, cruzaba un brazo del río homónimo mediante un arco de tres vanos, con una luz máxima de 42,4 m y una flecha extremadamente reducida de 1:16. Ese mismo año, Melan diseñó lo que probablemente sea el puente de hormigón armado más antiguo de las tierras checas, ubicado en Veveří, cuyo diseño se inspiró en el puente medieval original que cruzaba el foso del castillo. En 1901 se finalizó la construcción del Puente del Dragón de Liubliana, cuya estructura de hormigón visto combinada con revestimientos de bronce fue diseñada por el arquitecto dálmata Jurij Zaninović.

Puente del Dragón, en Liubliana. Imagen: V. Yepes (2018)

Simultáneamente, Melan resultó adjudicatario de un concurso público para el diseño de un puente vial en Lausana, destinado a conectar los distritos de Chauderon y Montbenon. Posteriormente, en 1912, Melan proyectó un puente de hormigón armado en Le Sépey, ubicado en el sur de Suiza.

Su labor académica en Praga tuvo un impacto significativo en el desarrollo de la oficina técnica de Pittel & Brausewetter, que se convirtió en un centro de formación para sus estudiantes. Entre 1908 y 1912, Konrad Kluge (1878-1945), uno de sus alumnos más distinguidos, diseñó varios puentes con arcos rígidos reforzados con vigas en L, ubicados en Debrny, Jihlava, Přísečnice (hoy desaparecida), česká Třebová y Oloví.

En 1920, recibió el título de doctor honoris causa de la Escuela Técnica Superior de Aquisgrán en reconocimiento a su labor como profesor y científico en el campo de la ingeniería de puentes, así como por sus avances como inventor de un nuevo tipo de puente de hormigón armado.

A pesar de su avanzada edad, Melan mantuvo una constante actividad profesional. En julio de 1928, Melan diseñó un puente de arco metálico en Ústí nad Labem, basado en una propuesta de Ernst Krob, director de la Autoridad de Construcción de la ciudad. La construcción de la obra se llevó a cabo entre 1934 y 1936, consolidando de este modo su legado en el ámbito de la ingeniería estructural.

Melan se erigió como una de las figuras más influyentes en la teoría y práctica de la construcción de puentes en Austria durante la transición desde la fase de formación disciplinar hasta el período de consolidación de la teoría de estructuras. Su innovación más destacada, el Sistema Melan, introdujo una metodología pionera que combinaba de manera innovadora acero y hormigón en la construcción de puentes. A partir de la década de 1890, este sistema fue ampliamente aceptado en Europa y Estados Unidos, posicionándose como una de las soluciones constructivas más avanzadas de su época. Su impacto fue reconocido con la medalla de oro en la Exposición Universal de París en 1900.

En 1893, Melan publicó sus estudios sobre arcos de hormigón reforzado con estructuras de hierro, lo que marcó un hito en la construcción mixta. Su prestigio internacional experimentó un notable incremento en 1898, con la construcción de un puente de 42,4 m de luz en Steyr, considerado el puente de hormigón armado más extenso de su época. En este caso, el arco metálico inicial se ejecutó mediante voladizos sucesivos con un atirantamiento provisional.

Más allá de sus aportes en la construcción mixta, Melan dejó una huella indeleble en la ingeniería de puentes metálicos. En 1888, Melan fue pionero en cuantificar los efectos de la teoría de segundo orden, un avance crucial en la modelización estructural. Sus tratados sobre puentes recibieron un reconocimiento internacional destacado, y en 1913, su obra sobre puentes en arco y colgantes fue traducida al inglés por el ingeniero estadounidense David B. Steinman.

Además de su labor teórica, Melan ejerció una influencia decisiva en el desarrollo de la ingeniería de grandes puentes en Estados Unidos. Colaboró con el Departamento de Puentes de Nueva York en la verificación de los cálculos del Williams Bridge y en la evaluación del Hell Gate Bridge, diseñado por la oficina del ingeniero Gustav Lindenthal. Su impacto en la construcción de puentes en Estados Unidos durante las dos primeras décadas del siglo XX fue sin precedentes.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras

Josef Melan realizó importantes aportaciones a la teoría de estructuras a lo largo de su carrera, plasmadas en diversas publicaciones de referencia. Entre sus primeros trabajos destacan Beitrag zur Berechnung eiserner Hallen-Gespärre (1883), en el que abordó el cálculo de cerchas metálicas en naves industriales, y Ueber den Einfluss der Wärme auf elastische Systeme (1883), donde analizó los efectos térmicos en sistemas elásticos. Posteriormente, en Beitrag zur Berechnung statisch unbestimmter Stabsysteme (1884), se centró en la resolución de sistemas de barras estáticamente indeterminados.

Su obra Theorie der eisernen Bogenbrücken und der Hängebrücken (1888) estableció las bases para el diseño de puentes en arco de hierro y puentes colgantes, consolidando su prestigio en la ingeniería estructural. Años más tarde, en Theorie des Gewölbes und des Eisenbetongewölbes im besonderen (1908), amplió su estudio al análisis de bóvedas, con especial énfasis en las estructuras de hormigón armado.

Durante su etapa en la Universidad Técnica Alemana de Praga, Melan publicó Der Brückenbau, una serie de volúmenes basados en sus conferencias impartidas entre 1910 y 1917. Su influencia trascendió el ámbito europeo con la publicación en inglés de Theory of Arches and Suspension Bridges (1913) y Plain and Reinforced Concrete Arches (1915), obras que consolidaron su impacto en la ingeniería de puentes a nivel internacional.

Carlo Alberto Castigliano

Carlo Alberto Castigliano (1847-1884) https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4911407

Carlo Alberto Castigliano (Asti, 8 de noviembre de 1847 – Milán, 25 de octubre de 1884) fue un destacado ingeniero y matemático italiano, cuya labor se centró en la teoría matemática de la elasticidad y la mecánica de estructuras deformables. Su legado más reconocido son los teoremas que llevan su nombre, los cuales establecen una relación fundamental entre la fuerza aplicada y el desplazamiento experimentado por los cuerpos elásticos. Estos teoremas han sido pilares esenciales en el desarrollo de la teoría de estructuras y se utilizan ampliamente en el análisis y diseño de sistemas estructurales.

Nació en el seno de una familia de escasos recursos, siendo hijo de Giovanni Castigliano y Orsola Cerrato. Su padrastro respaldó su vocación académica al reconocer las excepcionales aptitudes del joven, y lo matriculó en el cuarto curso del Instituto Industrial de Turín. Sin embargo, debido a las difíciles circunstancias económicas familiares, Castigliano tuvo que compaginar sus estudios con trabajos esporádicos para ayudar con los ingresos del hogar. En julio de 1866, tras obtener el título de perito mecánico, realizó un curso en el Real Museo Industrial de Turín, lo que le permitió obtener la habilitación como profesor. El 10 de diciembre de ese mismo año fue nombrado profesor de construcción y mecánica aplicada en el Real Instituto Técnico de Terni, en la región de Umbría. Durante los cuatro años que permaneció en dicho cargo, se dedicó de manera incansable al estudio autodidacta de las matemáticas.

Tras obtener una excedencia en su puesto docente, Castigliano regresó a Turín en 1870, donde aprobó con distinción el examen de ingreso en la Facultad de Ciencias Matemáticas, Físicas y Naturales de la Universidad de Turín. Apenas se matriculó, escribió al rector de la universidad para solicitarle permiso para presentarse a todos los exámenes de la carrera de Matemáticas al finalizar el primer año. En marzo de 1871, recibió una respuesta favorable por parte del Ministerio de Educación y, en pocos meses, superó con éxito todos los exámenes.

Una vez licenciado, en noviembre de 1871 solicitó su inscripción en la Escuela de Aplicación para Ingenieros, actualmente conocida como Politécnico de Turín. En 1873, a pesar de las dificultades que atravesaba en su vida personal, se graduó con honores en ingeniería civil con una tesis titulada Intorno ai sistemi elastici (sobre sistemas elásticos), en la que demostraba el principio de elasticidad o teorema del trabajo mínimo, previamente enunciado por el general Luigi Federico Menabrea (1809–1896) en 1858. Durante una disputa legal con Menabrea, provocada por su tesis, Castigliano publicó en la Academia de Ciencias de Turín su memoria Nuova teoria intorno all’equilibrio dei sistemi elastici (1875), en la que formuló los teoremas sobre las derivadas del trabajo de deformación, hoy conocidos como teoremas de Castigliano, los cuales constituyen principios fundamentales de la estática estructural. Más tarde, este ensayo se convertiría en el núcleo de su principal obra Théorie de l’Équilibre des Systèmes Élastiques et ses Applications (1879).

Después de finalizar sus estudios, fue contratado como ingeniero por la compañía de ferrocarriles del norte de Italia, Strade Ferrate Alta Italia (S.F.A.I.), donde desarrolló toda su carrera profesional. Inicialmente destinado a Alba, en 1874 fue trasladado a la oficina de proyectos en Turín, y en febrero de 1875 fue designado a la sede central de la empresa en Milán. Allí se encargó del diseño y la supervisión técnica de las principales obras de la red ferroviaria del norte de Italia. Como miembro de la junta directiva, reorganizó el fondo de pensiones de la empresa. Lamentablemente, no pudo culminar su ambicioso proyecto de un Manuale pratico per gli ingegneri (manual práctico para ingenieros) antes de su prematura muerte.

Los últimos años de su vida fueron especialmente dolorosos. Tras la muerte de dos de sus hijos —Carlo en 1883, a los pocos meses de nacer, y Emilia en 1884, a los tres años—, Castigliano contrajo una neumonía de la que falleció en octubre de 1884.

Además de su obra Manuale pratico per gli ingegneri, que dejó incompleta y fue publicada parcialmente de manera póstuma (en cuatro volúmenes, entre 1882 y 1888), sus contribuciones más significativas fueron sus trabajos sobre el equilibrio de las estructuras elásticas. En 1879 y 1880, publicó los dos volúmenes de su estudio fundamental sobre este tema: Théorie de l’équilibre des systèmes élastiques et ses applications.

Poco después de su fallecimiento, Emil Winkler rindió homenaje a Castigliano en una presentación en la Sociedad de Arquitectos de Berlín (1884), donde destacó la relevancia del segundo teorema de Castigliano para los fundamentos de la teoría de estructuras. Este teorema sería, años más tarde, el centro de una controversia académica entre Mohr y Müller-Breslau.

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

  • Intorno ai sistemi elastici [1875/1]
  • Intorno all’equilibrio dei sistemi elastici [1875/2]
  • Nuova teoria intorno all’equilibrio dei sistemi elastici [1875/3]
  • Théorie de l’Équilibre des Systèmes Élastiques et ses Applications [1879]
  • Intorno ad una proprietà dei sistemi elastici [1882]
  • Theorie des Gleichgewichtes elastischer Systeme und deren Anwendung [1886]
  • The Theory of Equilibrium of Elastic Systems and its Applications [1966]

Os dejo un par de vídeos sobre el teorema de Castigliano. Espero que os sea de interés.

Durabilidad de las estructuras de acero

https://estructuramex.com/que-provoca-la-oxidacion-en-las-estructuras-metalicas/

La durabilidad de las estructuras de acero depende de factores como la calidad del material, el diseño estructural, las medidas de protección contra la corrosión y el mantenimiento planificado. Una estrategia efectiva en cada una de estas áreas permite alcanzar la vida útil deseada, minimizar el deterioro y reducir la necesidad de intervenciones costosas.

Factores que afectan a la durabilidad del acero

La exposición ambiental es una de las principales causas del deterioro del acero estructural. La agresividad del medio se clasifica en diferentes niveles, desde ambientes de corrosividad muy baja (C1) hasta ambientes de corrosividad muy alta (C5). En zonas con alta humedad, presencia de iones cloruro, exposición constante a la lluvia o a contaminantes industriales con alto contenido en SO₃, la velocidad de corrosión aumenta, por lo que es necesario adoptar medidas adicionales para proteger la estructura.

Las uniones estructurales pueden constituir puntos de alta vulnerabilidad si no se diseñan y ejecutan adecuadamente. Las soldaduras deben estar libres de fisuras, cráteres y proyecciones, ya que estas imperfecciones dificultan la adherencia de los sistemas de protección superficial. En uniones atornilladas, los pernos, las tuercas y las arandelas deben tener la misma durabilidad que el resto de la estructura para evitar deterioros diferenciales y la formación de pares galvánicos entre metales de diferente potencial electroquímico.

Diseño estructural y estrategias para mejorar la durabilidad

El diseño debe evitar configuraciones que favorezcan la acumulación de agua o suciedad, ya que estas condiciones pueden acelerar la corrosión. Para ello, se recomienda evitar superficies horizontales expuestas y secciones abiertas en la parte superior de los elementos estructurales, ya que pueden retener humedad. Además, las cavidades y huecos deben eliminarse o diseñarse de manera que permitan un drenaje eficiente. En el caso de elementos con interiores accesibles, deben incorporarse sistemas adecuados de ventilación y drenaje, mientras que los interiores inaccesibles deben sellarse completamente mediante soldaduras continuas para evitar la entrada de humedad.

Las uniones estructurales deben recibir especial atención en lo que a protección se refiere. En elementos soldados, se recomienda que la intersección entre refuerzos y elementos principales sea continua para permitir la correcta aplicación de recubrimientos. En el caso de entallas en almas o refuerzos, se deben disponer radios mínimos de 50 mm para facilitar la aplicación de los sistemas de protección.

Selección de materiales y protección contra la corrosión

En entornos agresivos, se pueden emplear aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica, aceros inoxidables o aceros galvanizados en caliente. En el caso de los aceros resistentes a la corrosión atmosférica, su uso sin recubrimiento de pintura está limitado a ambientes que no presenten una exposición significativa a iones cloruro. En estos casos, el espesor nominal de los elementos expuestos al ambiente exterior debe incrementarse en 1 mm. Para superficies interiores de secciones cerradas e inaccesibles se requiere la aplicación de un sistema de protección adecuado o un sobreespesor adicional.

La protección superficial es uno de los métodos más utilizados para garantizar la durabilidad de los elementos de acero. Al seleccionar el sistema de protección, se debe tener en cuenta el grado de preparación de la superficie, el tipo de imprimación, el número y el espesor de las capas de recubrimiento y la frecuencia de reposición durante la vida útil de la estructura. En función de la agresividad ambiental, los espesores de recubrimiento y la durabilidad del sistema deben ajustarse para proporcionar la protección requerida.

En algunas condiciones, el sobreespesor puede utilizarse como alternativa a los recubrimientos superficiales. Para ambientes de corrosividad alta (C4) o muy alta (C5), se recomienda un sobreespesor de 1,5 mm por cada 30 años de vida útil prevista, mientras que en ambientes de corrosividad media (C3) este valor se reduce a 1 mm. En ambientes de baja corrosividad (C2), el sobreespesor mínimo es de 0,5 mm, y en ambientes de corrosividad muy baja (C1) no es necesario aumentar el espesor. En elementos inaccesibles de puentes metálicos, el espesor total de las secciones cerradas no debe ser inferior a 8 mm.

La protección catódica es otra opción para reducir la corrosión en estructuras de acero, especialmente en entornos con exposición prolongada a la humedad o ambientes marinos. Este sistema requiere un diseño detallado y un plan de mantenimiento que garantice su efectividad a largo plazo. El proyecto debe justificar técnicamente la aplicación de la protección catódica y definir los procedimientos de instalación y seguimiento conforme a la norma UNE-EN ISO 12499.

Mantenimiento y conservación

El mantenimiento de las estructuras de acero es una parte esencial de la estrategia de durabilidad. Los sistemas de protección superficial deben reemplazarse periódicamente, ya que su vida útil suele ser inferior a la de la estructura. Para facilitar estas intervenciones, es necesario que las estructuras cuenten con accesos adecuados a las zonas cerradas. En los cajones metálicos, por ejemplo, las aberturas deben ser lo suficientemente amplias para permitir el paso de personal y equipos de mantenimiento. Se recomienda que las dimensiones mínimas sean de 500 x 700 mm en accesos rectangulares u ovales y de 600 mm de diámetro en accesos circulares.

Conclusión

La durabilidad de los elementos de acero en estructuras civiles depende de una combinación de factores, como el diseño estructural, la selección de materiales, la aplicación de sistemas de protección adecuados y un mantenimiento planificado. La implementación de estrategias de prevención permite garantizar el buen funcionamiento de la estructura a lo largo de su vida útil, reducir la necesidad de intervenciones correctivas y asegurar su seguridad y funcionalidad en diferentes condiciones de exposición.

A continuación, podéis ver algunos vídeos al respecto.

Os dejo a continuación el capítulo 19 del Código Estructural para que lo consultéis.

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La ingeniería de la reconstrucción

Imagen del desastre provocado por la DANA. Imagen: V.J. Yepes (10 de noviembre de 2024)

Las catástrofes naturales y humanas han acompañado a la civilización a lo largo de su historia, poniendo a prueba su capacidad de adaptación. Sin embargo, la forma en que se afronta la reconstrucción tras un desastre no puede limitarse a la reposición de lo perdido. El caso de las recientes inundaciones en Valencia el 29 de octubre de 2024 ilustra una realidad que se repite con cada evento extremo: la urgencia de reconstruir suele imponerse a la necesidad de reflexionar. No obstante, si la ingeniería de la reconstrucción se reduce a restablecer el estado previo a la catástrofe, se estaría desperdiciando una oportunidad para corregir vulnerabilidades y minimizar futuros daños.

El primer desafío tras un desastre es la respuesta inmediata. En esta fase, la prioridad es el rescate de personas y la provisión de recursos esenciales. Una vez atendidas estas necesidades básicas, la atención se centra en la recuperación de infraestructuras críticas, como hospitales, redes de agua potable, suministro eléctrico y comunicaciones. Este proceso es complejo, ya que estas infraestructuras no solo deben ponerse en funcionamiento lo antes posible, sino que, en muchos casos, han sufrido daños estructurales que comprometen su funcionalidad.

A partir de este punto surge la cuestión clave: ¿debe la reconstrucción reproducir las mismas condiciones previas a la catástrofe? Desde el punto de vista técnico y económico, esta estrategia es cuestionable. Si las infraestructuras y edificaciones han fallado ante un fenómeno extremo, replicarlas sin modificaciones implica asumir que volverán a fallar en el futuro. En el caso concreto de Valencia, se ha observado que algunos puentes obstaculizaron el flujo del agua y los sedimentos, generando represas que agravaron la crecida. Este problema no es nuevo; estructuras similares han provocado efectos equivalentes en inundaciones anteriores y, sin embargo, su diseño se sigue repitiendo. Por tanto, es necesario un enfoque distinto que incorpore criterios de resiliencia y sostenibilidad en la reconstrucción. En el caso de los puentes, esto podría traducirse en reducir el número de apoyos en el cauce, cimentaciones más profundas para reducir su vulnerabilidad a la erosión y revisar los coeficientes de empuje hidráulico en los cálculos estructurales.

El reto no solo consiste en corregir errores del pasado, sino también en prepararse para escenarios futuros más complejos. El cambio climático está alterando la frecuencia e intensidad de los eventos extremos, lo que obliga a replantear tanto la planificación territorial como la normativa vigente. Lo que antes se consideraba un fenómeno extraordinario puede convertirse en una amenaza recurrente, por lo que es necesario aplicar criterios de diseño más exigentes y estrategias de mitigación más ambiciosas. No se trata únicamente de reforzar las infraestructuras, sino de adaptar las ciudades y las redes de transporte a una realidad en la que las precipitaciones intensas, las sequías prolongadas y el aumento del nivel del mar serán cada vez más frecuentes. La planificación basada en registros históricos ya no es suficiente; la ingeniería debe integrar modelos predictivos y diseñar soluciones flexibles y adaptativas.

Sin embargo, en la reconstrucción tras una catástrofe suele predominar un enfoque táctico, con decisiones orientadas a mostrar una respuesta inmediata a la ciudadanía. La rapidez en la ejecución de ciertas obras genera la percepción de una gestión eficaz, pero este proceder puede ocultar la ausencia de una estrategia que optimice las actuaciones a largo plazo. Si bien es imprescindible contar con equipos de intervención inmediata para hacer frente a la emergencia, también es esencial disponer de un equipo de reflexión que establezca directrices fundamentadas y evite reconstrucciones apresuradas que perpetúen los mismos errores. Algo así como un «ministerio del pensamiento» que sea capaz de analizar las lecciones aprendidas y convertirlas en políticas y proyectos de reconstrucción con criterios sólidos de sostenibilidad y resiliencia.

Esta misma lógica se aplica a la planificación territorial y urbana. Rehabilitar zonas inundables sin considerar estrategias de mitigación perpetúa la exposición al riesgo. En este sentido, la ingeniería tiene el deber de plantear soluciones basadas en evidencia científica y en experiencias previas. La adaptación a eventos extremos no solo implica reforzar estructuras, sino también reconsiderar su localización y función. En muchos casos, las medidas no requieren inversiones desmesuradas, sino una gestión más eficiente del territorio. La creación de zonas de amortiguamiento, la mejora en la capacidad de drenaje y la regulación del uso del suelo son estrategias que pueden marcar la diferencia en futuras catástrofes.

Además, la sostenibilidad a largo plazo implica tener en cuenta a las personas en la ecuación que gobierna los impactos de las actuaciones. No basta con evaluar los efectos sobre las infraestructuras o el medio ambiente, sino que es necesario considerar cómo influyen estas decisiones en la calidad de vida de las personas que habitan los territorios afectados. La reconstrucción debe ir más allá de la restitución de bienes materiales y tener en cuenta también aspectos sociales, económicos y psicológicos. Por ejemplo, esto implicaría reubicar comunidades en zonas seguras, garantizar el acceso equitativo a los servicios básicos y minimizar el impacto de las obras sobre la población más vulnerable. Si la ingeniería no tiene en cuenta estos factores, existe el riesgo de generar soluciones técnicamente eficientes, pero socialmente insostenibles.

Uno de los mayores obstáculos en estos procesos es la fragmentación de competencias. La reconstrucción implica a múltiples actores, desde administraciones locales hasta organismos estatales e internacionales. En muchas ocasiones, la superposición de responsabilidades y la falta de coordinación provocan retrasos y contradicciones en la toma de decisiones. Para evitar este problema, una alternativa viable sería la creación de un consorcio específico encargado de gestionar la reconstrucción, en el que las distintas administraciones deleguen temporalmente parte de sus competencias. Este modelo permitiría una planificación más coherente y una ejecución de proyectos con criterios unificados, lo que evitaría la dispersión de recursos y la toma de decisiones inconexas.

La reconstrucción no es solo un proceso técnico, sino también una oportunidad para transformar el entorno de manera más racional y sostenible. Es indispensable actuar con rapidez, pero no se debe hacer a costa de repetir errores del pasado. La ingeniería, como disciplina, no puede limitarse a solucionar problemas inmediatos, sino que debe anticiparse a los riesgos futuros y ofrecer respuestas fundamentadas en el conocimiento acumulado. Una reconstrucción bien planificada no solo restituye lo destruido, sino que contribuye a construir una sociedad más segura y preparada para afrontar los desafíos futuros.

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Evaluación del índice de daño estructural en entornos BIM

Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Structures, de la editorial Elsevier, indexada en Q1 del JCR. El estudio desarrolla una metodología para evaluar un índice de daño estructural en entornos BIM, con el fin de optimizar los procesos de rehabilitación.

Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal, junto con el profesor Julián Alcalá, en la Universitat Politècnica de València.

El artículo contextualiza la necesidad de integrar herramientas digitales en la evaluación de daños estructurales como respuesta a las exigencias de sostenibilidad y eficiencia en el sector de la construcción. Se menciona que el envejecimiento del parque edificatorio y las nuevas exigencias en materia de mantenimiento requieren un enfoque innovador. Se destaca la implementación de BIM como una solución para mejorar la gestión de activos y prolongar la vida útil de las estructuras. En este contexto, el artículo presenta Endurify, una herramienta diseñada para evaluar la durabilidad de elementos estructurales de hormigón mediante indicadores de deterioro, con el fin de optimizar los procesos de rehabilitación.

El artículo enfatiza que la rehabilitación de edificios es una estrategia fundamental para mejorar la sostenibilidad en el sector de la construcción. Al renovar estructuras existentes, se reduce el impacto ambiental al disminuir la necesidad de utilizar nuevos materiales y procesos constructivos. Además, la rehabilitación mejora el rendimiento energético de los edificios, lo que contribuye a los objetivos de desarrollo sostenible establecidos por organismos internacionales. En el contexto europeo, iniciativas como el Pacto Verde Europeo subrayan la relevancia de estas medidas para reducir las emisiones de carbono y mejorar la eficiencia en el uso de recursos.

La metodología BIM se ha convertido en un estándar en la industria de la construcción, facilitando la integración de múltiples capas de información en un único modelo digital. BIM permite almacenar y gestionar datos estructurales, materiales y operacionales, optimizando así la planificación y el mantenimiento de edificios. La literatura reciente ha demostrado que el uso de BIM mejora la sostenibilidad en la construcción, facilita la gestión de riesgos y permite realizar análisis avanzados, como simulaciones de desempeño estructural. Además, la incorporación de gemelos digitales y herramientas de simulación refuerza su capacidad para la toma de decisiones fundamentadas en datos.

El mantenimiento estructural es fundamental para garantizar la seguridad y la eficiencia de los edificios a lo largo de su vida útil. A pesar de la importancia del seguimiento del estado estructural, la investigación en este ámbito ha sido menos extensa que la dedicada al diseño y la construcción. En este contexto, BIM se presenta como una plataforma idónea para integrar estrategias de mantenimiento predictivo, ya que permite evaluar el estado real de las estructuras y anticipar las intervenciones necesarias. Sin embargo, la implementación de BIM en este ámbito enfrenta desafíos como la precisión de los datos, los costes asociados y la capacitación del personal especializado.

El desarrollo de Endurify se basó en una metodología de investigación-acción de doble ciclo, lo que permitió realizar iteraciones sucesivas para optimizar la herramienta. El proceso constó de siete etapas, que iban desde la identificación del problema hasta la validación del software en entornos reales. La herramienta se diseñó específicamente para el mercado de la vivienda en España y cumple con los requisitos del Código Estructural.

Para evaluar la durabilidad, se seleccionaron cuatro indicadores principales: carbonatación, fisuración transversal, fluencia y deformación. La metodología utilizada para determinar cada uno de estos indicadores se basa en modelos normativos y en la recopilación de datos mediante inspección visual. Los resultados se almacenan dentro del modelo BIM, lo que permite su análisis comparativo y la planificación de intervenciones de mantenimiento.

La implantación de Endurify en BIM se realizó mediante un complemento para Autodesk Revit que permite extraer datos de los elementos estructurales y realizar el análisis de daños en tiempo real. La herramienta se diseñó para trabajar con parámetros predefinidos en el modelo BIM y almacenar los resultados como atributos de los elementos analizados.

El artículo presenta Endurify, un complemento para entornos BIM que permite analizar el estado de conservación de los elementos estructurales de hormigón. La herramienta emplea cuatro indicadores de daño: carbonatación, fisuración transversal, fluencia y deformación. Su integración en BIM facilita la gestión de datos, ya que permite almacenar los resultados del análisis dentro del modelo digital. Esto posibilita una evaluación más precisa del estado estructural y contribuye a la toma de decisiones sobre el mantenimiento y la rehabilitación de edificios existentes. Cabe destacar que la herramienta evita pruebas destructivas y se ajusta a normativas como el Código Estructural de España (CE-2021).

Los estudios de caso presentados en el artículo muestran cómo se ha aplicado Endurify en elementos estructurales con distintos grados de exposición ambiental. En un primer caso, se analizó una viga interior con fisuras visibles y se determinó que la carbonatación era el factor predominante en su deterioro. En el segundo caso, se evaluó un soporte en un corredor exterior sin daños aparentes con el mismo procedimiento, confirmándose un estado avanzado de carbonatación. Los resultados demuestran que la herramienta permite identificar patrones de degradación en distintos elementos y facilita la programación de intervenciones específicas. No obstante, se reconoce que la precisión del análisis depende de la calidad de los datos de entrada y de su compatibilidad con diferentes normativas y condiciones ambientales.

El artículo sugiere que la incorporación de nuevos enfoques podría mejorar la herramienta Endurify. Se menciona la posibilidad de desarrollar un índice de daño estructural que combine los cuatro indicadores en un solo valor ponderado, aunque los autores advierten de que esto podría ocultar información relevante sobre las causas del deterioro. Asimismo, se plantea la necesidad de adaptar la metodología a distintos contextos normativos e integrar sensores IoT para obtener datos en tiempo real. Además, se destaca que una mejor definición de los parámetros de análisis podría optimizar la precisión del modelo y ampliar su aplicación a proyectos de rehabilitación a gran escala.

Por tanto, el artículo demuestra que la integración de herramientas de análisis de durabilidad en entornos BIM puede mejorar la evaluación del estado estructural de los edificios. Endurify permite almacenar y visualizar datos de deterioro en el modelo digital, lo que facilita la toma de decisiones sobre el mantenimiento y la rehabilitación. Sin embargo, su implementación depende de la calidad de los datos de entrada y de su adaptación a distintas normativas. Se identifican oportunidades para mejorar la herramienta mediante el uso de modelos predictivos y la incorporación de tecnologías emergentes, lo que podría consolidar su aplicación en la ingeniería civil.

Referencia:

FERNÁNDEZ-MORA, V.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2025). Structural damage index evaluation in BIM environments. Structures, 74:108544. DOI:10.1016/j.istruc.2025.108544

 

Optimización del hormigón con nanocristalización catalizada: impermeabilización, protección y durabilidad

Figura 1. Plataformas petrolíferas en el Mar del Norte. Ambiente muy agresivo para el hormigón.

El hormigón es un material esencial en la construcción, pero su durabilidad se ve comprometida por factores como la carbonatación, la corrosión de las armaduras y la infiltración de agua y agentes agresivos. Las soluciones tradicionales de protección, basadas en recubrimientos superficiales, tienen limitaciones, ya que dependen de la adherencia al sustrato y pueden deteriorarse con el tiempo.

La nanocristalización catalizada surge como una alternativa innovadora que actúa desde el interior del hormigón, modificando su estructura capilar para mejorar sus propiedades mecánicas, aumentar su resistencia química y proporcionar una impermeabilización permanente sin alterar su aspecto.

Nanocristalización catalizada: una transformación desde el interior

El proceso de nanocristalización catalizada se basa en la interacción química entre nanosilicatos y el calcio libre presente en la matriz del hormigón. Para lograr una penetración efectiva, se emplea un procedimiento de nanofiltración que reduce el tamaño de las partículas de silicato a un rango comprendido entre 0,1 y 0,7 nanómetros. Así, el producto penetra profundamente en la red capilar y en los poros más finos del hormigón, donde reacciona con la cal libre para formar una estructura de nanocristales de cuarzo.

Figura 2. Recreación de la red nanocristalina generada en poros y capilares

Este proceso se desarrolla en varias etapas:

  1. Penetración por succión capilar: El nanosilicato, al estar en base acuosa, es absorbido por capilaridad. La magnitud de esta absorción depende del diámetro de los poros y la porosidad del hormigón.
  2. Gelidificación controlada: Se emplea un catalizador mineral que evita la reacción prematura con el calcio libre superficial, lo que permite una distribución homogénea del nanosilicato en el interior del hormigón.
  3. Cristalización interna: Durante un periodo de entre 12 y 15 días, los nanosilicatos reaccionan con la cal presente en el hormigón, formando una malla cristalina que sella los capilares y microfisuras.
  4. Efecto estructural: Al finalizar el proceso, la red de nanocristales aporta características similares a una armadura interna, aumentando la cohesión del material sin afectar su transpirabilidad.

Propiedades y beneficios en la construcción

El tratamiento mediante nanocristalización catalizada modifica significativamente las propiedades del hormigón, mejorando su comportamiento frente a diversas condiciones ambientales y químicas.

  • Impermeabilización profunda: A diferencia de los recubrimientos superficiales, este sistema genera una barrera cristalina en el interior del hormigón que impide la entrada de agua, pero no la sella por completo, lo que permite la salida de vapor y evita problemas de presión interna.
  • Incremento de la resistencia mecánica: La conversión de la cal libre en cuarzo aumenta la densidad y compactación del hormigón, y aumenta su resistencia a la compresión en un 32 % según ensayos de laboratorio.
  • Protección anticorrosiva: La restauración del pH por encima de 11,4 previene la oxidación de las armaduras y detiene la progresión de la carbonatación.
  • Durabilidad ampliada: Ensayos han demostrado que la vida útil del hormigón tratado puede multiplicarse entre 2,6 y 3 veces, reduciendo la necesidad de intervenciones y mantenimiento.
  • Sostenibilidad y compatibilidad con normativas: Al ser un tratamiento 100 % mineral, sin compuestos orgánicos volátiles ni disolventes, cumple con las normativas ambientales y de durabilidad estructural.

Aplicaciones en estructuras y proyectos reales

La tecnología de nanocristalización catalizada se ha implementado con éxito en diversos sectores de la construcción, tanto en estructuras nuevas como en rehabilitación de infraestructuras existentes:

  • Edificación: Se ha utilizado en cimentaciones, sótanos y elementos estructurales para prevenir filtraciones y mejorar la cohesión del hormigón. Los ensayos de penetración realizados en hormigón de 50 años han demostrado una reducción significativa de la permeabilidad al agua.
  • Puentes y viaductos: Se ha aplicado en tableros y cimentaciones para mitigar los efectos de la carbonatación y proteger las armaduras contra la acción de cloruros y sales de deshielo.
  • Túneles y muros pantalla: Su capacidad de sellado interno ha permitido eliminar filtraciones sin necesidad de aplicar recubrimientos superficiales.
  • Infraestructura portuaria: La alta resistencia a los cloruros y ambientes marinos agresivos ha reducido la erosión y el deterioro de los hormigones de muelles y diques, lo que ha minimizado los costes de mantenimiento.

Un cambio de paradigma en la protección del hormigón

El uso de la nanocristalización catalizada supone una evolución en la protección del hormigón, ya que aborda los problemas de degradación desde su origen. A diferencia de los tratamientos superficiales, que pueden desprenderse con el tiempo, esta tecnología modifica la estructura interna del material, lo que ofrece una protección e impermeabilización permanentes.

En un contexto donde la durabilidad y la sostenibilidad son prioridades, la aplicación de esta tecnología en la construcción y rehabilitación de estructuras no solo reduce los costes de mantenimiento, sino que también aumenta la vida útil de las edificaciones, alineándose con los nuevos estándares de calidad y eficiencia en la ingeniería civil.

Os dejo una presentación de la empresa sueca Komsol que os puede resultar de interés.

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Rehabilitación de vigas de hormigón armado deficientes a cortante en zonas sísmicas

Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Applied Sciences, indexada en Q1 del JCR. El estudio desarrolla una metodología integral para seleccionar estrategias de rehabilitación sísmica en vigas de hormigón armado con deficiencias a cortante.

Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal, junto con el profesor Julián Alcalá, en la Universitat Politècnica de València.  A continuación, explicamos brevemente el contenido del artículo que podéis descargar gratuitamente.

Se analizan cinco alternativas de refuerzo: encamisado de hormigón (CJ), encamisado con hormigón proyectado (SCJ), encamisado de acero adherido con resina epoxi (STE), encamisado de acero anclado mecánicamente (STA) y refuerzo con fibra de carbono (CFRP). Estas soluciones se evalúan mediante un análisis del ciclo de vida (LCA), que incorpora dimensiones económicas, ambientales, sociales y funcionales.

Entre las principales contribuciones del artículo, destaca la aplicación combinada de métodos de toma de decisiones multicriterio (MCDM), como EDAS, MABAC, CODAS y MARCOS, que permiten jerarquizar las alternativas basándose en criterios cuantificables. Para la ponderación de criterios se utilizó el Best-Worst Method (BWM), lo que garantiza la consistencia en la toma de decisiones. Los resultados indican que los refuerzos con CFRP y STE presentan ventajas significativas en términos de impacto ambiental y social, además de menores tiempos de ejecución y menor impacto arquitectónico. Por otro lado, las soluciones de hormigón presentan un mayor impacto ambiental y social debido al volumen de material necesario y a la duración del proceso constructivo.

El análisis del ciclo de vida muestra que la fase de construcción representa, de media, el 82 % de los costes totales de rehabilitación. El SCJ es la opción más económica, con una reducción del 45 % en los costes respecto al CJ. En contraste, el CFRP presenta el coste más alto, superando ligeramente al CJ. El STE y el STA requieren un mayor coste de mantenimiento debido a la necesidad de aplicar recubrimientos anticorrosivos y protección contra incendios. En cuanto al fin de vida, las soluciones basadas en hormigón presentan costes significativamente más altos debido a la necesidad de trituración y transporte a plantas de reciclaje.

En la evaluación ambiental, los impactos en las categorías de ecosistemas, salud humana y recursos son menores en las alternativas basadas en acero y CFRP, con una reducción del 77 % y 59 %, respectivamente, en el impacto ambiental total en comparación con el CJ. El SCJ logra una reducción del 19 % en impacto ambiental, mientras que el STE y el STA alcanzan reducciones de hasta el 62 % y el 77 %, respectivamente. A nivel social, el CJ presenta los mayores impactos, mientras que el STA obtiene la menor afectación, con una reducción del 75 % respecto al CJ.

La evaluación funcional indica que CJ y SCJ presentan los tiempos de ejecución más largos y un mayor impacto arquitectónico. Por el contrario, los materiales CFRP y STE destacan por su rapidez de instalación y por no alterar la estructura original. En general, el CFRP es la mejor alternativa si se tienen en cuenta los criterios económicos, ambientales, sociales y funcionales.

Se sugiere explorar materiales innovadores, como morteros reforzados con fibras o combinaciones de refuerzos híbridos, para mejorar la eficiencia estructural y la sostenibilidad de las intervenciones. Además, se podría analizar la integración de refuerzos activos, como tendones externos pretensados, para aumentar la capacidad sísmica. También se recomienda ampliar el análisis a otros elementos estructurales, como columnas y conexiones viga-columna, para evaluar la efectividad de estos refuerzos en estructuras completas.

Otro aspecto relevante para futuras investigaciones es mejorar la aplicación de la MCDM, integrando enfoques que gestionen la incertidumbre en la opinión de los expertos y teniendo en cuenta la interacción entre los criterios. Se podrían incorporar modelos de optimización basados en inteligencia artificial para mejorar la precisión en la selección de alternativas.

El estudio aporta una metodología replicable para evaluar estrategias de rehabilitación sísmica de vigas de hormigón armado con deficiencias a cortante. Su análisis del ciclo de vida confirma la relevancia de tener en cuenta el impacto económico, medioambiental y social a la hora de seleccionar la alternativa óptima. El uso combinado de BWM y MCDM demuestra su utilidad para abordar problemas de decisión complejos en ingeniería civil. En resumen, los resultados respaldan la necesidad de seguir investigando soluciones más eficientes y sostenibles en el campo de la rehabilitación estructural.

Referencia:

VILLALBA, P.; GUAYGUA, B.; YEPES, V. (2025). Optimal seismic retrofit alternative for shear deficient RC beams: a multiple criteria decision-making approach. Applied Sciences, 15(5):2424. DOI:10.3390/app15052424

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Modelos subrogados para optimizar el coste de pasos superiores pretensados

Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Infrastructures, indexada en el JCR. El estudio presenta una metodología de optimización de costes para puentes losa aligerados postesados mediante metamodelos, en la que se destaca la aplicación del modelo Kriging en combinación con algoritmos heurísticos.

Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal, junto con el profesor Julián Alcalá, en la Universitat Politècnica de València.  A continuación, explicamos brevemente el contenido del artículo que podéis descargar gratuitamente.

La investigación se centra en un puente de tres vanos con luces de 24, 34 y 28 m, y optimiza el diseño estructural para reducir costes sin comprometer los criterios de servicio y seguridad. Se identifica una reducción del 6,54 % en los costes en comparación con enfoques tradicionales, lograda principalmente mediante la disminución del uso de hormigón en un 14,8 % y del pretensado en un 11,25 %.

El trabajo también evalúa distintas técnicas predictivas, como redes neuronales y funciones de base radial, y determina que las redes neuronales presentan el menor error de predicción, aunque requieren varias ejecuciones para garantizar estabilidad. En contraste, el modelo Kriging permite identificar óptimos locales con alta precisión. La metodología propuesta proporciona una estrategia eficiente para la toma de decisiones en ingeniería estructural, que promueve diseños de puentes más rentables sin comprometer el rendimiento estructural.

Figura. Paso superior en la autovía A-7, en Cocentaina (Alicante)

Los resultados indican que la optimización mediante modelos subrogados permite reducir significativamente los costes de diseño de pasos superiores pretensados. La estrategia adoptada optimiza variables como la profundidad de la losa, la geometría de la base y la resistencia del hormigón, y respeta las restricciones impuestas por los estados límite de servicio, que son los últimos según el Eurocódigo 2. Se observa que la metodología basada en kriging y la optimización heurística proporciona resultados prácticos con menor esfuerzo computacional en comparación con la optimización directa de todas las variables estructurales.

El modelo Kriging optimizado mediante Simulated Annealing identificó una configuración de losa con una profundidad de 1,30 m y una base de 3,15 m como la solución más rentable. Esta configuración se corrobora mediante la predicción de redes neuronales, lo que muestra coherencia en la localización del óptimo. En comparación con estudios previos, los resultados indican que la metodología utilizada en este trabajo permite obtener ahorros significativos sin necesidad de analizar exhaustivamente cada alternativa estructural.

A partir de los hallazgos obtenidos, se sugiere explorar la integración de métodos de optimización multiobjetivo que tengan en cuenta no solo el coste, sino también el impacto ambiental y los costes de mantenimiento a lo largo del ciclo de vida del puente. La inclusión de criterios de sostenibilidad podría mejorar la eficiencia global del diseño estructural y su capacidad de adaptación a normativas futuras.

Otra línea de investigación relevante consiste en aplicar modelos subrogados en el diseño de otros tipos de estructuras, como puentes de vigas o marcos de hormigón armado, para evaluar su viabilidad en distintas configuraciones estructurales. Además, el desarrollo de modelos predictivos más sofisticados, que integren aprendizaje automático y simulaciones de alta fidelidad, podría optimizar aún más los diseños propuestos.

Por último, se recomienda estudiar el impacto de la variabilidad de los materiales y las condiciones de carga en la optimización del diseño. La incorporación de análisis probabilísticos mejoraría la fiabilidad de las soluciones obtenidas, ya que se obtendrían diseños estructurales más robustos y seguros.

Referencia:

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Surrogate-assisted cost optimization for post-tensioned concrete slab bridges. Infrastructures, 10(2): 43. DOI:10.3390/infrastructures10020043.

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