hormigón – El blog de Víctor Yepes

Compatibilidad entre cementos y aditivos: análisis y criterios de evaluación

En este artículo se resumen las ideas básicas de la guía elaborada por la Plataforma Tecnológica Española del Hormigón en relación con la compatibilidad entre cementos y aditivos.

En esta guía se analiza la compatibilidad entre cementos y aditivos superplastificantes, especialmente los basados en policarboxilatos, y se destacan los retos asociados a los cementos con menores emisiones de CO₂.

Se propone un método de ensayo con morteros normalizados para evaluar parámetros como fluidez, consistencia, densidad y tiempos de fraguado, teniendo en cuenta las implicaciones normativas y ambientales.

Además, se explica el impacto de las adiciones en el rendimiento del hormigón y la importancia de elegir aditivos adecuados para garantizar su estabilidad y funcionalidad. También se abordan las implicaciones normativas actuales y futuras en este ámbito.

El texto concluye con recomendaciones sobre la evaluación de nuevas formulaciones cementicias para mantener o mejorar las propiedades del hormigón.

Introducción al análisis de la compatibilidad cemento-aditivo

A lo largo de las últimas décadas, la industria del hormigón ha incorporado nuevas formulaciones de aditivos, en particular superplastificantes basados en polímeros de policarboxilato (PCE), que han permitido alcanzar elevados niveles de fluidez y mantener una consistencia prolongada. Sin embargo, el uso de nuevos tipos de cementos, principalmente aquellos con bajo contenido de clínker y mayor proporción de adiciones, ha planteado desafíos específicos en cuanto a su compatibilidad con estos aditivos. Esta guía se centra en identificar, comprender y evaluar dichos desafíos, y propone un método de contraste basado en ensayos de morteros normalizados que permite anticipar posibles desviaciones en el rendimiento del hormigón debidas a cambios en la química del cemento o del aditivo.

1. Objeto

El objetivo de la guía es evaluar la interacción entre cemento y aditivos superplastificantes mediante un método de ensayo basado en morteros normalizados. Esta metodología permite identificar variaciones en parámetros como fluidez, mantenimiento de la consistencia, aire ocluido, densidad y tiempos de fraguado, tanto frente a modificaciones en la composición del cemento como al empleo de distintos tipos de aditivos, utilizando un protocolo que establece relaciones a/c precisas y reproducibles.

2. Alcance

Este enfoque es especialmente adecuado para cementos con bajo contenido de clínker, elevada finura o presencia de diversas adiciones. Se centra en cementos experimentales cuyo desarrollo tiene como objetivo reducir la huella de carbono y cuya aplicación requiere validar su comportamiento antes de su uso industrial, tanto en hormigón preparado como en prefabricado. En este contexto, la evaluación de compatibilidad se vuelve una herramienta indispensable para prever rendimientos y ajustar formulaciones en función de la tecnología disponible.

3. Mecanismo de actuación de los aditivos superplastificantes y compatibilidad cemento-aditivo

Los aditivos superplastificantes basados en PCE actúan sobre la superficie de las partículas de cemento mediante adsorción, generando una repulsión estérica entre ellas. Esta acción se traduce en una mejora de la fluidez del sistema. La capacidad de mantener el efecto en el tiempo depende del equilibrio dinámico entre la fracción de aditivo adsorbida, la disuelta en solución y la encapsulada en productos de hidratación como la etringita.

La compatibilidad se define como la capacidad del sistema para mantener la consistencia deseada sin pérdidas prematuras de fluidez. Las principales causas de incompatibilidad son una adsorción excesiva o deficiente, la absorción por materiales porosos o las interacciones químicas que inhiben el aditivo. Estos efectos están estrechamente relacionados con las propiedades del cemento, como su finura, el contenido de sulfato soluble, la presencia de adiciones con baja reactividad o carácter absorbente y la relación molar SO₄²⁻/C₃A.

El uso de cementos muy finos puede acelerar la adsorción del aditivo y reducir su reserva disponible, lo que compromete la durabilidad del efecto. Las adiciones absorbentes reducen la proporción de aditivo útil, lo que provoca una pérdida prematura de fluidez. En casos extremos, como defectos de sulfato soluble, puede producirse una inactivación casi total del aditivo. Para ajustar la elección del aditivo más adecuado, es fundamental evaluar detalladamente la compatibilidad y tener en cuenta estos aspectos.

4. Método de ensayo de contraste con morteros normalizados

El procedimiento implica la elaboración de morteros con y sin aditivo superplastificante, manteniendo constante la relación a/c, y la medición de propiedades como la consistencia utilizando una mesa de sacudidas, la densidad, el aire ocluido y los tiempos de fraguado.

Se emplea equipamiento normalizado según la normativa europea (EN 196-1, EN 1015-3, EN 480-1), cuidando las condiciones de amasado y la temperatura de los componentes. El ensayo se realiza en intervalos temporales (T0, T30 y T60) para registrar la evolución de la fluidez.

Los datos obtenidos permiten contrastar el comportamiento del mortero con aditivo respecto al patrón y detectar posibles efectos de incompatibilidad. También se registra la resistencia mecánica a flexión y compresión en diferentes edades para validar el rendimiento final del sistema.

5. Cementos que se recomienda ensayar

El impulso hacia cementos con menor huella de carbono ha llevado al desarrollo de formulaciones con una mayor proporción de adiciones, como cenizas volantes, escorias, puzolanas y calizas. El objetivo de estas estrategias es reducir el contenido de clínker, el componente que más emisiones genera.

Reducir el clínker afecta a la reactividad inicial, la trabajabilidad del hormigón y su estabilidad a largo plazo. La adición de materiales puzolánicos o inertes modifica el comportamiento reológico, por lo que es posible que sea necesario incorporar activadores o ajustar la formulación del aditivo.

La utilización de cementos con adiciones suele implicar la necesidad de aditivos de alta eficiencia, incluidos superplastificantes combinados con retardadores o aceleradores, así como aditivos reductores de retracción. A la hora de elegir, hay que tener en cuenta el tipo de adición y su interacción con el sistema.

Las normativas UNE-EN 197-1, 197-5 y 197-6 han ampliado el espectro de cementos aceptados, incluyendo nuevos tipos como el CEM VI y aquellos con materiales reciclados. Estas actualizaciones ofrecen una mayor flexibilidad en la formulación de cementos sostenibles, pero también exigen métodos de validación más precisos para garantizar la compatibilidad con aditivos y la calidad del producto final.

6. Cementos empleados y sensibilidad del método

El capítulo seis de la guía analiza los resultados obtenidos al aplicar el método de contraste a diversos tipos de cementos disponibles en el mercado, especialmente a aquellos que incorporan adiciones en proporciones significativas. El objetivo de este análisis es comprobar la capacidad del método para detectar diferencias sutiles en la interacción entre el cemento y el aditivo, y así evaluar su sensibilidad ante variaciones compositivas que, en principio, podrían parecer menores.

Se ha comprobado que el método de ensayo propuesto es sensible a las diferencias específicas en los comportamientos según el tipo de adición presente en el cemento. Entre las variables ensayadas, destacan la fluidez inicial, el mantenimiento de la consistencia, la cantidad de aire ocluido, la densidad del mortero fresco y los tiempos de fraguado. Estos parámetros permiten obtener una lectura clara de los efectos derivados del uso de diferentes tipos de adiciones, como escorias, cenizas volantes, calizas o puzolanas naturales.

Asimismo, el procedimiento permite observar los efectos de adiciones con altos grados de vitrificación o bajo nivel de ionización inicial, lo que puede inducir reacciones retardadas en la adsorción del aditivo. En estos casos, el ensayo no solo refleja una merma en la fluidez inicial, sino también un fenómeno de refluidificación tardía, lo que compromete la estabilidad del mortero con el paso del tiempo.

En general, los resultados confirman que el método de contraste no solo es reproducible, sino que su sensibilidad es suficiente para discriminar entre situaciones de compatibilidad aceptable y aquellas en las que existen limitaciones importantes que podrían comprometer el rendimiento del hormigón en aplicaciones reales.

7. Conclusiones

El análisis realizado en esta guía confirma que la compatibilidad entre cemento y aditivos no es un parámetro fijo o inherente al producto, sino que depende de un equilibrio dinámico y ajustado que debe evaluarse en función de cada combinación específica. La evolución de los cementos hacia formulaciones con menor huella de carbono ha introducido nuevas variables que afectan a este equilibrio, desde cambios en la mineralogía hasta variaciones en la reactividad de las adiciones utilizadas.

El método de ensayo de contraste con morteros normalizados propuesto ha demostrado ser eficaz para anticipar el comportamiento del sistema cemento-aditivo, ya que permite identificar de manera temprana posibles desviaciones en propiedades clave como la fluidez, la consistencia, la oclusión de aire, la densidad y los tiempos de fraguado. Su implementación sistemática ofrece una herramienta de diagnóstico útil tanto en las fases de diseño como en el control de calidad de la producción industrial.

En definitiva, comprender las variables que afectan a la compatibilidad entre cementos y aditivos y disponer de herramientas de evaluación sensibles y bien estructuradas es fundamental para garantizar el rendimiento del hormigón en contextos de creciente exigencia ambiental y tecnológica.

Aquí tenéis un mapa mental de lo anteriormente expuesto.

Además, os dejo el documento completo para su consulta.

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Impacto ambiental del hormigón con cementos con adiciones: ¿menos emisiones, pero menor durabilidad?

Uno de los artículos más citados en nuestro grupo de investigación es el que vamos a explicar a continuación. El artículo de García-Segura, Yepes y Alcalá examina en profundidad si la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas del uso de cementos con adiciones compensa la disminución de su durabilidad y la reducción de la captura de CO₂ en comparación con el cemento Portland convencional.

Esta pregunta define con precisión el problema de investigación y estructuró el estudio en torno al impacto ambiental de diferentes mezclas de cemento, desde la producción hasta la demolición. La formulación de esta pregunta permite establecer objetivos específicos y una metodología rigurosa que garantice una evaluación cuantitativa y cualitativa de los efectos de la carbonatación y de la vida útil de las estructuras construidas con estos materiales.

El estudio se basa en un análisis del ciclo de vida (LCA, por sus siglas en inglés) aplicado a una columna de hormigón armado de 3 metros de altura y sección transversal de 30 x 30 cm², reforzada con cuatro barras de acero de 20 mm de diámetro y con un recubrimiento de hormigón de 30 mm. Se evalúa el impacto ambiental de diferentes mezclas de cemento: Portland (CEM I), cementos adicionados con cenizas volantes (CEM II/A-V y CEM II/B-V) y cementos con escoria de alto horno (CEM II/B-S, CEM III/A y CEM III/B). La metodología incluye:

Producción: Se calculan las emisiones derivadas de la extracción y procesamiento de materias primas, incluyendo el transporte hasta la planta de hormigón y la fabricación de barras de acero, considerando tasas de reciclaje.
Construcción: Se incluyen las emisiones por bombeo y vibrado del hormigón.
Uso: Se determina la durabilidad mediante el modelo de Tuutti, diferenciando las etapas de iniciación y propagación de la corrosión del acero embebido en función de la carbonatación.
Demolición y reciclaje: Se evalúa la captura de CO₂ tras la demolición, considerando el impacto del tamaño del árido reciclado y el entorno de exposición.

La captura de CO₂ se cuantifica mediante ecuaciones basadas en la difusión de carbonatación, considerando coeficientes de carbonatación variables en función de la composición del cemento y del nivel de exposición ambiental.

El trabajo aporta datos cuantitativos sobre la relación entre las emisiones iniciales y la captura de CO₂ en cada etapa del ciclo de vida del hormigón. Se identifican las siguientes contribuciones clave:

Reducción de emisiones en la producción: CEM III/B (80% BFS) emite 70% menos CO₂ en su fabricación comparado con el cemento Portland.
Durabilidad reducida: Cementos con alto reemplazo de clinker presentan una vida útil 10% menor debido a una mayor tasa de carbonatación.
Captura de CO₂: Durante su uso, CEM III/B captura solo el 22% del CO₂ capturado por el cemento Portland. Considerando la demolición, el porcentaje asciende a 20%.
Impacto de reciclaje: Si el hormigón demolido se expone al aire, la captura de CO₂ puede reducir las emisiones totales en un 47%.

Los resultados muestran que, si bien los cementos con adiciones reducen las emisiones en la etapa de producción, su menor durabilidad aumenta las emisiones anuales. El cemento CEM III/B reduce inicialmente las emisiones en un 70 %, pero solo logra una disminución del 20 % cuando se consideran las emisiones anuales. Esto sugiere que, a la hora de seleccionar cemento, hay que equilibrar la reducción de emisiones iniciales con la vida útil de la estructura. La investigación también destaca la importancia de garantizar la exposición del hormigón reciclado al aire para maximizar su capacidad de secuestro de carbono.

Se identifican tres áreas clave para futuras investigaciones:

Optimización de cementos adicionados: Investigación sobre el uso de aditivos y ajustes en la dosificación para mejorar la durabilidad sin comprometer la reducción de emisiones.
Impacto ambiental de diferentes climas: Evaluación de la carbonatación y la vida útil del hormigón en condiciones climáticas diversas.
Estrategias para maximizar la captura de CO₂ post-demolición: Desarrollo de procesos para incrementar la exposición del agregado reciclado al aire y mejorar la captura de carbono.

En resumen, el estudio ofrece un análisis exhaustivo de las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al uso de cementos modificados. Aunque la reducción de emisiones en la producción de estos cementos es significativa, la menor durabilidad y la reducida captura de CO₂ requieren un análisis cuidadoso para garantizar la sostenibilidad del hormigón a largo plazo. La investigación subraya la necesidad de estrategias complementarias que optimicen la combinación entre las emisiones iniciales y la vida útil estructural para reducir el impacto ambiental global del sector de la construcción.

Referencia:

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2014). Life-cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1):3-12. DOI:10.1007/s11367-013-0614-0

Esta es la versión post-print de autor. La publicación se encuentra en: https://riunet.upv.es/handle/10251/49057, siendo el Copyright de Springer Verlag (Germany).

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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:

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

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.

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:

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.
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.
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.
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.

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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Robert Maillart

Robert Maillart (Berna, 6 de febrero de 1872 – Ginebra, 5 de abril de 1940) fue un ingeniero civil suizo que innovó en el uso del hormigón armado, creando el arco triarticulado, el arco con tablero armado para puentes y losas sin vigas con columnas en forma de seta para naves industriales. Sus puentes de Salginatobel (1929-1930) y Schwandbach (1933) transformaron la estética y la ingeniería de los puentes, y ejercieron una gran influencia en generaciones de arquitectos e ingenieros. En 1991, la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles declaró el puente de Salginatobel «Hito Histórico Internacional de la Ingeniería Civil».

Maillart creció en el seno de una familia calvinista de Berna y destacó desde joven en matemáticas y dibujo durante su educación secundaria. Entre 1890 y 1894 estudió ingeniería estructural en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH), donde asistió a las conferencias de Wilhelm Ritter sobre estática gráfica, una disciplina clave en su formación. Tras obtener su título, regresó a Berna para trabajar con Pümpin & Herzog (1894-1896), y luego pasó dos años en la administración de la ciudad de Zúrich y en la firma Froté & Westermann. Fue en esta última donde concibió una de sus primeras innovaciones: el diseño del puente de arco de hormigón armado en Zuoz, finalizado en 1901, en el que integró la calzada con el arco estructural, generando una sección en forma de cajón de doble celda. En 1902 fundó su propia empresa, Maillart & Cie. En 1903 diseñó un foso para gasómetro en la ciudad de Sankt Gallen, donde por primera vez incorporó el análisis de los momentos flectores en los cálculos gráficos de las fuerzas internas de una cáscara cilíndrica de hormigón armado empotrada en la losa de cimentación. A finales de ese mismo año, Maillart detectó la aparición de grietas verticales próximas a los estribos en el alma de la estructura del puente de Zuoz. Esta observación derivó en la incorporación de recortes triangulares en los elementos de apoyo y, posteriormente, en 1905, en el desarrollo del puente de arco articulado en tres puntos sobre el Rin en Tavanasa, con una luz de 51 m.

En 1912 se mudó con su familia a Rusia, donde dirigió la construcción de fábricas y almacenes en Járkov, Riga y San Petersburgo, mientras el país se industrializaba con inversiones suizas. Sin embargo, con el estallido de la Primera Guerra Mundial, se vio obligado a evacuar Riga y trasladarse a Járkov. Durante su estancia en Kiev, diseñó grandes estructuras industriales para AEG y otras compañías. La muerte de su esposa en 1916 y la irrupción de la Revolución de Octubre marcaron un punto de inflexión en su vida, obligándolo a regresar a Suiza con sus tres hijos en una situación económica precaria. Al regresar a Suiza, Maillart no tenía dinero y estaba endeudado. Tras su regreso, trabajó para otras firmas, pero lo mejor de sus diseños aún estaba por llegar. En 1920 se incorporó a una oficina de ingeniería en Ginebra, que luego abrió sucursales en Berna y Zúrich. A pesar de estas dificultades, su segunda etapa creativa (1920-1940) se caracterizó por una intensa actividad que culminó con la construcción de 160 estructuras que reflejan el rigor lógico y la sensibilidad artística de su obra. Su mayor contribución a la teoría de estructuras fue la introducción del concepto de centro de cortante y la formulación clara de su teoría en la década de 1920.

Puente de Salginatobel en Schiers. De Rama – Trabajo propio, CC BY-SA 2.0 fr, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4794735

Robert Maillart tuvo un ingenio intuitivo con el que supo aprovechar la estética del hormigón. Gracias a sus contribuciones al diseño estructural, el lenguaje arquitectónico del hormigón armado se consolidó durante la primera mitad del siglo XX. Diseñó arcos triarticulados que combinaban el tablero y las nervaduras del arco, creando estructuras integradas que evolucionaron hacia arcos rígidos de hormigón armado delgados y losas del mismo material. El puente de Salginatobel (1930) y el puente de Schwandbach (1933) son ejemplos clásicos de estos diseños, reconocidos por su elegancia y su influencia en la ingeniería de puentes posteriores. Estos conceptos superaron los límites del diseño de la época. Ambos puentes demuestran su habilidad para simplificar proyectos, maximizar el uso de materiales e integrar la belleza del entorno. Maillart fue seleccionado entre 19 participantes por el bajo coste de su propuesta y comenzó la construcción del puente de Salginatobel en Schiers en 1929, que fue inaugurado el 13 de agosto de 1930.

Maillart es conocido por su innovador diseño de columnas con forma de seta en varios edificios. Su primer techo de este tipo lo construyó para un almacén en Zúrich, para el que trató el tablero de hormigón como una losa, sin vigas. Una de sus obras más famosas es el diseño de las columnas de la planta de filtración de agua de Rorschach. Al abandonar los métodos tradicionales, Maillart creó «el método de construcción europeo más racional y bello». En su diseño de columnas, ensanchaba las partes superiores para reducir el momento flector y formar ligeros arcos que transferían las cargas al suelo. También abocinó la base de las columnas para distribuir mejor la carga y reducir la presión sobre el suelo. Aunque muchos usaron este método con madera y acero, Maillart fue pionero al emplear hormigón, que soportaba eficazmente el aislamiento contra la congelación. Su técnica se utilizó para construir el puente de Ciolo, en Apulia.

Todas las partes del puente se integraron según su función constructiva, de modo que la carretera ya no era un peso que el arco debía soportar, sino un elemento que colaboraba como parte resistente de la estructura. Los puentes de Maillart superan la tradicional separación entre peso propio y cargas útiles, y se convierten en obras de arte por su economía de medios, equilibrio armónico y fuerza constructiva. Su principal innovación fue la viga cajón de tres articulaciones que utilizó en el puente de Tavanasa sobre el río Rin, construido en 1905 y destruido en 1927. Entre sus estructuras destacadas se encuentran la nave del Almacén de Aduanas de Chiasso, en 1924, y la gran nave de hormigón para la Exposición Nacional de Suiza de 1939 en Zúrich. La invención más importante para edificios fue la construcción de techos sin vigas apoyadas en capiteles en 1908, técnica que se popularizó a partir de 1910. Este sistema elimina la transición columna-viga-losa, dejando solo la columna-losa, lo que ahorra material, reduce el tiempo de ejecución y otorga flexibilidad, ligereza y elegancia al diseño.

Aunque no destacó en teorías académicas, comprendió la importancia de hacer suposiciones y visualizar las estructuras al analizarlas. A Maillart le molestaba el uso excesivo de las matemáticas, ya que prefería emplear el sentido común para prever el rendimiento a gran escala. Como rara vez probaba sus puentes antes de la construcción, los verificaba una vez terminados y los cruzaba él mismo. Esta actitud fue clave para sus diseños innovadores. En palabras de Mirko Gottfried Roš: «Maillart fue un ingeniero en el sentido más estricto del término. Puso la teoría y los avances científicos al servicio de la arquitectura: la primera era su herramienta y la segunda su propósito. Consideraba la experiencia y el conocimiento científico como socios equivalentes».

Cuando Robert Maillart falleció el 5 de abril de 1940, el mundo de la construcción en hormigón armado perdió a un auténtico «virtuoso del hormigón» y a un genio de la ingeniería estructural. Mirko Gottfried Roš lo describió en su obituario con estas palabras: «Fuiste tanto ingeniero como artista, porque tu credo fue la armonía entre magnitud, belleza y verdad».

Principales contribuciones a la teoría de estructuras:

Zur Frage der Biegung [1921/1]
Bemerkungen zur Frage der Biegung [1921/2]
Ueber Drehung und Biegung [1922]
Der Schubmittelpunkt [1924/1]
Zur Frage des Schubmittelpunktes [1924/1, 1924/3]
Zur Entwicklung der unterzugslosen Decke in der Schweiz und in Amerika [1926]
Einige neuere Eisenbetonbrücken [1936]

Os dejo un vídeo sobre este insigne ingeniero.

Tesis doctoral: Métodos de detección de daños para el diseño sostenible del ciclo de vida de puentes en entornos agresivos

De izquierda a derecha: Ignacio Navarro, Rasmus Rampling, Mehrdad Hadizadeh, Salvador Ivorra, Tatiana García y Víctor Yepes

Hoy, 12 de febrero de 2025, ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Mehrdad Hadizadeh Bazaz, titulada “Inclusion of damage detection methods for the sustainable life cycle design of bridges in aggressive environments”, dirigida por los profesores Víctor Yepes Piqueras e Ignacio J. Navarro Martínez. La tesis recibió la calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un pequeño resumen de la misma.

Resumen:

Para prevenir colapsos inesperados que pueden generar pérdidas económicas y humanas significativas, es esencial controlar la salud de cada estructura e infraestructura a lo largo de su ciclo de vida, que abarca desde su construcción y mantenimiento hasta su eventual retiro.

Sin embargo, las actividades de construcción, reparación y mantenimiento también pueden afectar al medio ambiente y a la sociedad. Por ello, el uso de técnicas modernas de detección de daños, que integren la evaluación sostenible del ciclo de vida y el análisis de los costes totales de mantenimiento, resulta fundamental para realizar reparaciones oportunas y minimizar el impacto negativo.

El concepto de sostenibilidad ha evolucionado desde su definición por primera vez por la Comisión Brundtland en 1987. Desde entonces, la comunidad científica ha desarrollado principios, métodos y criterios para el diseño sostenible, pero muchos de estos enfoques no son viables a largo plazo. En respuesta, las Naciones Unidas han establecido los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) para 2030.

En este contexto, es crucial adoptar una estrategia de ciclo de vida sostenible para las estructuras de hormigón que optimice costes y minimice el impacto ambiental y social en todas sus etapas, desde la construcción hasta el final de su vida útil. Los avances en tecnología informática y el desarrollo de sensores sofisticados han permitido implantar métodos de prueba no destructiva (NDT) para controlar y mantener de manera eficiente infraestructuras críticas, como puentes, y reducir así el riesgo de pérdidas económicas y humanas.

Esta tesis analiza la aplicación de diversas técnicas no destructivas para identificar daños estructurales y evalúa su impacto en la sostenibilidad. En este trabajo de investigación se evaluó el rendimiento de métodos no destructivos, como la función de respuesta en frecuencia (FRF) y la densidad espectral de potencia (PSD), para la detección y localización de daños estructurales. En particular, se analizó la capacidad de la PSD para predecir distintos tipos de daños en estructuras expuestas a la corrosión por iones de cloruro, como puentes de hormigón ubicados en entornos agresivos.

Posteriormente, se examinó la eficacia de este método de predicción en la evaluación del ciclo de vida sostenible, teniendo en cuenta su impacto ambiental, social y económico. Además, se analizaron los costes asociados a su aplicación en distintas fases de la vida útil de un puente de hormigón tipo cajón en Arosa, al noroeste de España.

Los resultados de esta tesis demuestran que la integración del método PSD en el mantenimiento preventivo durante el ciclo de vida de puentes de hormigón mejora significativamente su sostenibilidad. Los hallazgos confirman que la PSD permite detectar, localizar y predecir daños de manera eficiente, lo que optimiza la gestión a largo plazo de infraestructuras propensas a la corrosión. El análisis integral, que incorpora la evaluación del ciclo de vida y la toma de decisiones multicriterio, demuestra que la aplicación de la PSD reduce el impacto ambiental, minimiza los costes y mejora la sostenibilidad global de los puentes de hormigón. Además, este enfoque proporciona un marco adaptable a diversas infraestructuras y facilita el cumplimiento de objetivos de sostenibilidad a gran escala.

Referencias:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Life Cycle Assessment of a Coastal Concrete Bridge Aided by Non-Destructive Damage Detection Methods. Journal of Marine Science and Engineering, 11(9):1656. DOI:10.3390/jmse11091656

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Life-cycle cost assessment using the power spectral density function in a coastal concrete bridge. Journal of Marine Science and Engineering, 11(2):433. DOI:10.3390/jmse11020433

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Power Spectral Density method performance in detecting damages by chloride attack on coastal RC bridge. Structural Engineering and Mechanics, 85(2):197-206. DOI:10.12989/sem.2023.85.2.197

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2022). Performance comparison of structural damage detection methods based on Frequency Response Function and Power Spectral Density. DYNA, 97(5):493-500. DOI:10.6036/10504