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Aportaciones al Congreso sobre Optimización de Estructuras HPSM/OPTI 2025, Edimburgo (Reino Unido)

Los días 10 a 12 de junio de 2025 se celebró en Edimburgo (Reino Unido) uno de los congresos más importantes sobre optimización de estructuras: “12th International Conference on High Performance and Optimum Design of Structures and Materials, HPSM/OPTI 2025“. He participado en dicho congreso tanto en su Comité Científico como Invited Speaker.

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. Además, es uno de los resultados de la tesis doctoral de Lorena Yepes.

En cuanto la comunicación esté publicada en el libro de ponencias, os pasaré el enlace para su descarga gratuita. A continuación os paso el resumen de la comunicación presentada.

El artículo «Multi-Attribute Decision-Making in Prestressed Concrete Road Flyover Design», propone una innovadora metodología para optimizar el diseño de puentes de hormigón pretensado teniendo en cuenta simultáneamente tres criterios clave: el coste económico, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada en los materiales. Su objetivo es encontrar soluciones de compromiso que equilibren sostenibilidad y eficiencia estructural.

Aportaciones principales del estudio

Este trabajo aporta un enfoque sistemático y práctico para integrar criterios medioambientales y económicos en el diseño de pasos elevados. Frente a las metodologías tradicionales que suelen priorizar únicamente el coste, los autores aplican técnicas de toma de decisiones multicriterio para considerar también el impacto ambiental desde el inicio del proceso proyectual. Además, ofrecen pautas concretas para diseños preliminares que buscan un equilibrio entre coste, emisiones y consumo energético.

Metodología empleada

La investigación se basa en técnicas avanzadas de optimización y modelado. En primer lugar, se utilizaron 50 soluciones iniciales de diseño generadas mediante un muestreo estadístico conocido como Latin Hypercube Sampling, que explora diferentes combinaciones de parámetros como la resistencia del hormigón, la anchura de la base y la profundidad del tablero.

A continuación, se aplicó un modelo de sustitución de tipo Kriging, capaz de estimar con gran precisión los resultados estructurales sin necesidad de cálculos exhaustivos para cada diseño. Esto permitió ampliar el análisis a 1.000 soluciones adicionales simuladas.

Con todas las alternativas sobre la mesa, se extrajo la “frontera de Pareto”, un conjunto de soluciones no dominadas que representan los mejores compromisos posibles entre los tres objetivos. Finalmente, se aplicaron distintos escenarios de toma de decisiones multiatributo, asignando diferentes pesos a cada criterio, para seleccionar los diseños más equilibrados.

Resultados más relevantes

El análisis reveló que los diseños más sostenibles tienen características comunes: una relación entre canto del tablero y luz principal cercana a 1/30 y una resistencia del hormigón de 40 MPa. Estas configuraciones permiten reducir tanto el consumo de materiales como las emisiones sin comprometer la viabilidad estructural.

Dependiendo del peso asignado a cada criterio (coste, emisiones, energía), se identificaron varias soluciones óptimas, destacando especialmente dos (denominadas #6 y #13) por su buen rendimiento integral. Curiosamente, priorizar solo el coste lleva a soluciones con mayor canto, mientras que priorizar el medio ambiente genera estructuras más esbeltas y materialmente eficientes.

Conclusiones y recomendaciones

El estudio concluye que aplicar técnicas de decisión multicriterio en la ingeniería civil permite diseñar infraestructuras más sostenibles y racionales, sin sacrificar funcionalidad ni economía. Se recomienda considerar desde fases tempranas del diseño variables ambientales clave como las emisiones o la energía embebida, además de los costes.

Asimismo, los autores sugieren incorporar la participación de los diferentes agentes implicados (ingenieros, administraciones, ciudadanía) para lograr soluciones más equilibradas y duraderas.

Este trabajo representa un avance hacia una práctica de la ingeniería más alineada con los Objetivos de Desarrollo Sostenible, y especialmente con el ODS 9, que promueve infraestructuras resilientes, sostenibles e innovadoras.

Referencia:

YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Multi-attribute decision-making in prestressed concrete road flyover design. International Conference on High Performance and Optimum Design of Structures and Materials, HPSM/OPTI 2025, 10-12 June 2025, Edinburgh, UK.

Tesis doctoral: Optimización multicriterio para el diseño sostenible de puentes postesados mediante metamodelos

De izquierda a derecha: Julián Alcalá, Salvador Ivorra, Lorena Yepes, Tatiana García y Antonio Tomás.

Hoy, 6 de junio de 2025, ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de Dª. Lorena Yepes Bellver, titulada “Multi-criteria optimization for sustainable design of post-tensioned concrete slab bridges using metamodels”, dirigida por el profesor Julián Alcalá González. La tesis ha obtenido la máxima calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un pequeño resumen de la misma.

Esta tesis utiliza técnicas de modelización sustitutiva para optimizar los costes económicos y medioambientales en puentes losa de hormigón postesado hormigonado in situ. El objetivo principal de esta investigación es desarrollar una metodología sistemática que permita optimizar el diseño de puentes, reduciendo los costes, las emisiones de CO₂ y la energía necesaria para construir este tipo de puentes sin comprometer la viabilidad estructural o económica. El marco de optimización propuesto consta de dos fases secuenciales: la primera se centra en ampliar el espacio de búsqueda y la segunda intensifica la búsqueda de soluciones óptimas. El metamodelo basado en Kriging realiza una optimización heurística que da como resultado un diseño con emisiones de CO₂ significativamente menores que los diseños convencionales. El estudio revela que una relación de esbeltez de aproximadamente 1/30 arroja resultados óptimos, ya que se reduce el consumo de material y se mantiene la integridad estructural. Además, el aumento de la armadura pasiva compensa la reducción de hormigón y armadura activa, lo que da como resultado un diseño más sostenible. Por otra parte, se identifica una compensación entre costes y emisiones que muestra que un modesto aumento de los costes de construcción (menos del 1 %) puede reducir sustancialmente las emisiones de CO₂ (más del 2 %), lo que demuestra que el diseño de puentes sostenibles puede ser económicamente viable.

La investigación explora más a fondo la optimización de la energía incorporada en la construcción de pasos elevados de carreteras anuladas mediante el uso de muestreo por hipercubo latino y optimización basada en Kriging. La metodología permite identificar los parámetros críticos de diseño, como los altos coeficientes de esbeltez (en torno a 1/28), el uso mínimo de hormigón y armadura activa, y el aumento de la armadura pasiva para mejorar la eficiencia energética. Aunque en el estudio se emplearon Kriging y redes neuronales artificiales (RNA), Kriging demostró ser más eficaz a la hora de identificar óptimos locales, a pesar de que las redes neuronales ofrecen predicciones absolutas más precisas. Esto pone de manifiesto la eficacia de los modelos sustitutos a la hora de orientar las decisiones de diseño sostenible, incluso cuando los modelos no ofrecen predicciones absolutas perfectamente exactas.

En el contexto de la optimización de costes para puentes de losa postesada, el estudio demuestra el potencial del modelado sustitutivo combinado con la simulación del recocido. Los resultados muestran que el método de optimización basado en Kriging conduce a una reducción de costes del 6,54 %, principalmente mediante la minimización del uso de materiales, concretamente de hormigón en un 14,8 % y de acero activo en un 11,25 %. Estas reducciones en el consumo de material se consiguen manteniendo la integridad estructural y la capacidad de servicio del puente, lo que convierte al modelado sustitutivo en una herramienta práctica y eficaz para la optimización económica en el diseño de puentes.

El estudio también evalúa la forma de optimizar las emisiones de CO₂ en pasos elevados de carreteras pretensadas. Se identifican los parámetros óptimos de diseño, como grados de hormigón entre C-35 y C-40 MPa, profundidades del tablero entre 1,10 y 1,30 m, y anchuras de base entre 3,20 y 3,80 m. La red neuronal mostró las predicciones más precisas entre los modelos predictivos analizados, con los errores medios absolutos (MAE) y cuadrados medios (RMSE) más bajos. Estos resultados subrayan la importancia de seleccionar el modelo predictivo adecuado para optimizar las emisiones de CO₂ en el diseño de puentes y destacan el valor de utilizar modelos sustitutivos para mejorar la sostenibilidad en los proyectos de ingeniería civil.

Por último, la investigación integra la toma de decisiones multicriterio (MCDM) con la optimización basada en Kriging para evaluar y optimizar los diseños de puentes en relación con objetivos económicos, medioambientales y estructurales. El enfoque MCDM permite evaluar de manera más exhaustiva las alternativas de diseño al tener en cuenta las compensaciones entre coste, impacto ambiental y rendimiento estructural. Esta integración contribuye al desarrollo sostenible de las infraestructuras, ya que facilita la selección de diseños óptimos que se ajusten a los objetivos de sostenibilidad.

En conclusión, esta tesis demuestra que el modelado sustitutivo, que utiliza explícitamente el Kriging y redes neuronales artificiales, es un enfoque práctico para optimizar las dimensiones medioambiental y económica del diseño de puentes. El marco de optimización en dos fases que aquí se presenta proporciona una metodología eficiente desde el punto de vista computacional que permite identificar soluciones de diseño óptimas y sostenibles que cumplen las restricciones estructurales y económicas. Los resultados sugieren que la metodología es aplicable a proyectos de infraestructuras a gran escala y sentarán las bases para futuras investigaciones. Futuros estudios podrían investigar el uso de algoritmos y modelos de optimización adicionales para perfeccionar aún más el proceso de optimización y mejorar la aplicabilidad de estas metodologías en proyectos reales.

Referencias:

YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Predictive modeling for carbon footprint optimization of prestressed road flyovers. Applied Sciences, 15(17), 9591. DOI:10.3390/app15179591

VILLALBA, P.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; YEPES, V. (2025). A Hybrid Fuzzy DEMATEL–DANP–TOPSIS Framework for Life Cycle-Based Sustainable Retrofit Decision-Making in Seismic RC Structures. Mathematics, 13(16), 2649. DOI:10.3390/math13162649

ZHOU, Z.; WANG, Y.J.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Intelligent monitoring of loess landslides and research on multi-factor coupling damage. Geomechanics for Energy and the Environment, 42:100692. DOI:10.1016/j.gete.2025.100692

ZHOU, Z.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2025). Study on the failure mechanism of deep foundation pit of high-rise building: comprehensive test and microstructure coupling. Buildings, 15(8), 1270. DOI:10.3390/buildings15081270

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.

BLIGHT, T.; MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; ROSCHIER, L.; BOULET, D.; YEPES-BELLVER, L.; YEPES, V. (2025). Innovative approach of nomography application into an engineering educational context. Plos One, 20(2): e0315426. DOI:10.1371/journal.pone.0315426

NAVARRO, I.J.; VILLALBA, I.; YEPES-BELLVER, L.; ALCALÁ, J. Social Life Cycle Assessment of Railway Track Substructure Alternatives. J. Clean. Prod. 2024, 450, 142008.

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Artificial neural network and Kriging surrogate model for embodied energy optimization of prestressed slab bridges. Sustainability, 16(19), 8450. DOI:10.3390/su16198450

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Embodied energy optimization of prestressed concrete road flyovers by a two-phase Kriging surrogate model. Materials, 16(20); 6767. DOI:10.3390/ma16206767

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). CO₂-optimization of post-tensioned concrete slab-bridge decks using surrogate modeling. Materials, 15(14):4776. DOI:10.3390/ma15144776

Discurso de apertura en el evento Innotransfer “Infraestructuras resilientes frente a eventos climáticos extremos”

Os anuncio que el próximo miércoles, 28 de mayo de 2025, tendré la oportunidad de dar el discurso de apertura en el evento, presencial y en línea, Innotransfer “Infraestructuras resilientes frente a eventos climáticos extremos” centrada en los ámbitos de carreteras, ferrocarriles e infraestructuras hidráulicas, dentro del programa INNOTRANSFER, dedicado a facilitar conexión entre demandantes y oferentes de soluciones innovadoras en la Comunitat Valenciana. Este año, en particular, estamos enfocando estos eventos a necesidades puestas de manifiesto con la DANA.

En los últimos años, la frecuencia e intensidad de los fenómenos meteorológicos extremos han aumentado de manera sostenida. Episodios como lluvias torrenciales, vientos huracanados, tornados, olas de calor y frío o temporales marítimos han provocado un incremento de las catástrofes naturales asociadas, incluyendo inundaciones, destrucción y regresión litoral, incendios forestales y sequías prolongadas.

Esta tendencia, impulsada por el cambio climático, plantea un desafío creciente que exige soluciones innovadoras en el diseño de infraestructuras resilientes. Estas infraestructuras deben abarcar la planificación y construcción de carreteras, infraestructuras hidráulicas y redes de transporte ferroviario, garantizando no solo la resistencia ante situaciones críticas, sino también la capacidad de minimizar daños y asegurar una rápida recuperación.

En la Comunitat Valenciana, esta necesidad es especialmente relevante debido al incremento de fenómenos climáticos extremos como las DANAs (Depresiones Aisladas en Niveles Altos). La jornada tiene como objetivo abordar el desarrollo de infraestructuras urbanas y rurales capaces de adaptarse al clima cambiante, reduciendo el impacto negativo en la población y en los recursos económicos locales.

Esta jornada Innotransfer reunirá a expertos, empresas e instituciones para explorar soluciones innovadoras en infraestructuras resilientes, aprovechando el potencial de la Compra Pública de Innovación como herramienta clave para facilitar su adopción por parte de las Administraciones Públicas. Dichas propuestas han sido identificadas por la Ciudad Politécnica de la Innovación (CPI), parque científico de la Universitat Politècnica de València (UPV).

El objetivo de la jornada es crear oportunidades de colaboración y un networking de alto impacto entre los diferentes actores del ecosistema valenciano de innovación, fomentando el desarrollo conjunto de proyectos de I+D+i de alto impacto.

La participación en el evento es gratuita, y se puede hacer accediendo al siguiente enlace: https://innotransfer.org/evento/infraestructuras-resilientes-frente-a-eventos-climaticos-extremos/

Os dejo el programa, por si os interesa.

Concurso para contratación laboral de técnico para proyecto de investigación

Se ha publicado en la web de Vicegerencia de Recursos Humanos de la Universitat Politècnica de Valencia la convocatoria para la contratación laboral de un técnico medio que desarrollará sus funciones en el proyecto “Optimización resiliente del ciclo de vida de estructuras híbridas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo condiciones RESILIFE”, financiado por la Agencia Estatal de Investigación.

Podéis encontrar todos los detalles en https://www.upv.es/entidades/SRH/conypi/1194473normalc.html, convocatoria 20287.

Os dejo la resolución del Rector respecto a la convocatoria.

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Tesis doctoral: Baterías níquel-zinc: equilibrio óptimo entre coste y sostenibilidad

Ignacio Villalba, Ashwani Kumar y Víctor Yepes

Hoy, 6 de mayo de 2025, ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Ashwani Kumar Malviya, titulada “Optimization of LCA and LCCA for a novel NiZn battery through multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) and its application in e-mobility and smart building infrastructure”, dirigida por los profesores Ignacio Villalba Sanchis y Víctor Yepes. La tesis ha obtenido la máxima calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un pequeño resumen de la misma.

En el contexto de la urgente transición hacia un sistema eléctrico descarbonizado, el almacenamiento energético se ha convertido en un pilar fundamental para integrar fuentes renovables intermitentes, como la solar y la eólica, en la red eléctrica y en aplicaciones de e-movilidad y edificios inteligentes. La tesis de Ashwani Kumar Malviya explora por primera vez de manera integrada la viabilidad de las baterías recargables de níquel-zinc (RNZB), que combinan materias primas abundantes (níquel y zinc), electrólitos acuosos no inflamables y un proceso de producción simplificado que prescinde de salas blancas. Gracias a recientes innovaciones en la formulación de los electrodos, estas celdas de 10 Ah y 60 Wh/kg alcanzan más de 2000 ciclos al 100 % de profundidad de descarga, superando uno de los principales obstáculos de esta tecnología.

El trabajo se estructura en torno a cinco preguntas clave:

¿Cuál es el coste total de ciclo de vida (LCC) de una batería de litio de níquel (RNZB), desde la extracción de materia prima hasta su fin de vida, medido tanto en €/kg como en €/kWh entregado?
¿Qué impacto ambiental (LCA) —evaluado en 18 categorías midpoint y 3 endpoint con ReCiPe 2016— genera la RNZB en comparación con baterías de plomo-ácido, LFP y NMC?
¿Es posible que un algoritmo multiobjetivo (MOPSO) identifique configuraciones de suministro y reciclaje que minimicen simultáneamente el coste de ciclo de vida (LCC) y el impacto ambiental (LCA)?
¿Hasta qué punto estas soluciones son resistentes ante variaciones de ±20 % en parámetros críticos, tales como la mezcla eléctrica en uso y la eficiencia del ciclo?
¿En qué medida las preferencias de un panel de expertos, analizadas mediante el proceso de jerarquía analítica (AHP), coinciden con la clasificación de Pareto generada por el MOPSO?

Esta tesis presenta un modelo estructurado que integra ecuaciones de LCC —que incluyen CAPEX, OPEX y fin de vida en función de la masa de batería y la energía suministrada— con un LCA exhaustivo basado en datos de la base Ecoinvent y OpenLCA. La implementación de MOPSO en MATLAB para optimizar ambos indicadores constituye una innovación metodológica de gran valor, pues genera un frente de Pareto de soluciones no dominadas que equilibra coste y huella ambiental. Además, la comparación efectuada demostró que la RNZB puede ofrecer un coste medio de ciclo de vida de aproximadamente 120 €/kWh, en comparación con los 150 €/kWh de LFP y los 180 €/kWh de plomo-ácido, manteniendo un GWP de 0,24 kg CO₂ eq/kWh —inferior a los 0,30 kg CO₂ eq/kWh del plomo-ácido—, lo que sitúa a la RNZB como la opción económicamente más competitiva sin renunciar a un desempeño ambiental favorable.

El estudio establece un alcance «cradle-to-grave», que comprende la extracción de níquel y zinc, la formulación de electrodos (cátodo de NiOOH con un 11,6 % de peso y ánodo de ZnO con un 7,5 %), el transporte, el ensamblaje de celdas de 10 Ah y 60 Wh/kg, los escenarios de uso con diferentes mezclas eléctricas (0-100 % RES) y el fin de vida, que incluye el reciclaje metalúrgico de metales y la valorización energética de plásticos. Para el LCA, se implementó el enfoque ReCiPe 2016 en 18 categorías midpoint (GWP, ODP, entre otras) y 3 endpoint (salud, ecosistemas, recursos). Para el LCC, se desarrollaron fórmulas validadas mediante el uso de OpenLCA. El MOPSO implementado explora variables de origen de materias primas y rutas de reciclaje, manteniendo un archivo diverso de soluciones no dominadas. Una vez concluido el proceso, se realizó un análisis de sensibilidad, que incluyó la evaluación de la variación del mix eléctrico y la eficiencia del ciclo. Posteriormente, se llevó a cabo una validación AHP con un grupo de doce expertos, quienes contrastaron sus preferencias con el ranking de Pareto obtenido.

Los resultados obtenidos evidencian que, en condiciones de mix eléctrico base (100 % red convencional), la RNZB registra un LCC de 120 €/kWh y un GWP de 0,24 kg CO₂ eq/kWh. El MOPSO ha identificado 10 soluciones óptimas que reducen hasta un 15 % el LCC y un 20 % el GWP respecto a la configuración estándar. Al integrar el 75 % de energía renovable en la fase de uso, el GWP desciende a 0,18 kg CO₂ eq/kWh, lo que resulta en una reducción del CED en un 30 %. El análisis de sensibilidad confirmó que estas ventajas se mantienen con variaciones de hasta ±20 % en mix y eficiencia. Asimismo, la validación AHP mostró un 85 % de coincidencia entre las preferencias de los expertos y el ranking de Pareto.

La tesis confirma que las RNZB ofrecen un equilibrio excepcional entre coste y sostenibilidad para aplicaciones estacionarias (almacenamiento residencial, edificios inteligentes y e-movilidad), especialmente si se combinan con un uso mayoritario de RES y se aplican técnicas de «recuperación verde» en el reciclaje. La simplicidad del proceso acuoso y la ausencia de elementos críticos (cobalto) reducen significativamente los riesgos y los costes de suministro. Sin embargo, la dependencia del níquel sugiere la necesidad de diversificar las fuentes de suministro y establecer circuitos cerrados para la recuperación de metales. Desde una perspectiva metodológica, la integración de LCA, LCC, MOPSO y AHP constituye un marco sólido y adaptable a otros sistemas de ingeniería que requieran optimizar múltiples indicadores de manera simultánea.

Tras el análisis llevado a cabo, esta tesis concluye que la RNZB es la opción de ciclo de vida más económica (con un coste aproximado de 120 €/kWh) y que presenta una huella ambiental competitiva (0,24 kg CO₂ eq/kWh). Asimismo, se ha comprobado que un MOPSO bien configurado puede generar frentes de Pareto robustos que reducen hasta un 20 % el GWP y un 15 % el coste. La validación mediante sensibilidad y AHP garantiza la aplicabilidad práctica de las recomendaciones. Se propone como líneas futuras la incorporación de datos en tiempo real de operación, la exploración de electrodos con menor proporción de níquel y la extensión de la metodología a sistemas híbridos de energía para potenciar la circularidad y la resiliencia del sector.

Referencias:

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; MARTÍNEZ-FERNÁNDEZ, P.; YEPES, V. (2024). Optimization of the Life cycle cost and environmental impact functions of NiZn batteries by using Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO). Sustainability, 16(15):6425. DOI:10.3390/su16156425

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; LI, J.; LI, B.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; YEPES, V. (2024). A formulation model for computation to estimate the Life Cycle Environmental Impact of NiZn Batteries. Energies, 17(11):2751. DOI:10.3390/en17112751

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; YEPES, V. (2024). A formulation model for computation to estimate the Life Cycle Cost of NiZn Batteries. Sustainability, 16(5):1965. DOI:10.3390/su16051965

Cimentaciones en suelos blandos: análisis integral de mecanismos de fallo

Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Buildings, de la editorial Elsevier, indexada en el JCR. El trabajo ofrece una contribución significativa al estudio de los mecanismos de fallo en fosos de cimentación profunda, especialmente en entornos geotécnicos desfavorables caracterizados por suelos blandos limosos. A diferencia de los enfoques previos, que tratan los problemas de estabilidad desde una perspectiva parcial, esta investigación desarrolla un modelo integral que combina simulaciones numéricas en tres dimensiones, pruebas de campo a escala real y un enfoque de acoplamiento microestructural para analizar el comportamiento del terreno y los elementos estructurales en condiciones reales de obra.

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, y es fruto de la colaboración internacional con investigadores de la Hunan University of Science and Engineering (China).

Uno de los principales logros del estudio radica en la aplicación de un modelo multidisciplinar acoplado que tiene en cuenta factores como la consolidación del terreno, la deformabilidad del sistema de contención, la presión del agua subterránea y la calidad de la ejecución del piloteado. Este modelo no solo permite diagnosticar fallos con alta precisión, sino también anticipar comportamientos críticos antes de que se manifiesten de forma visible. Esta capacidad predictiva supone un avance significativo en el campo del control de calidad y la seguridad estructural en cimentaciones profundas.

Además, el trabajo plantea una metodología replicable basada en el uso combinado de tecnologías de ensayo estático, pruebas de onda de baja deformación y modelado por elementos finitos. La gran cantidad de datos empíricos obtenidos, junto con su correlación con los resultados simulados, constituye una base sólida para el desarrollo de futuras normativas de control y supervisión de obras en suelos con baja capacidad portante.

La investigación se ha estructurado en torno a tres ejes metodológicos principales: pruebas de campo, ensayos de laboratorio y modelado numérico. En primer lugar, se llevaron a cabo ensayos in situ que incluyeron pruebas de penetración estándar, ensayos de penetración dinámica, pruebas de velocidad de onda de corte y muestreo mediante perforación mecánica. Estos ensayos se llevaron a cabo en el entorno del proyecto XSS-10D, una obra de gran escala con un foso de cimentación profunda sometido a condiciones geotécnicas complejas.

En segundo lugar, se realizaron ensayos geotécnicos de laboratorio sobre más de 140 muestras de suelo para determinar propiedades como la densidad seca y húmeda, el contenido de humedad, el límite líquido, la cohesión y el ángulo de fricción interna. Estos datos fueron fundamentales para definir los parámetros de entrada de los modelos numéricos.

Finalmente, se construyó un modelo tridimensional por elementos finitos utilizando el programa informático Abaqus CAE. Dicho modelo incorporó las características del suelo, las estructuras de contención, los pilotes y la acción de cargas externas, teniendo en cuenta tanto el comportamiento estático como las deformaciones diferidas. Además, se emplearon modelos viscoelásticos, como el de Kelvin, y se aplicó el criterio de rotura de Mohr-Coulomb para simular el comportamiento plástico del suelo.

Los resultados obtenidos a partir del estudio del proyecto XSS-10D confirman la eficacia del modelo acoplado para detectar defectos estructurales en cimentaciones profundas. En particular, se identificó que el pilote ZH2-194 presentaba una serie de análisis anómalos en los ensayos de baja deformación, los cuales se corroboraron mediante pruebas de carga estática y muestreo con extracción de testigos.

Las pruebas de carga estática evidenciaron desplazamientos superiores a los límites de servicio, mientras que el análisis del testigo reveló defectos de fabricación como oquedades, segregación de hormigón y contaminación con materiales finos. Estas deficiencias se atribuyeron a problemas en el proceso de hormigonado, como la intrusión de lodo en el interior de la perforación, la pérdida de trabajabilidad del hormigón y la falta de compactación adecuada.

El modelo numérico reprodujo con exactitud la distribución de esfuerzos y desplazamientos en la zona afectada y localizó los puntos de mayor concentración de tensiones en las inmediaciones del pilote defectuoso. Se observó un fenómeno de desplazamiento lateral y una redistribución de esfuerzos en el sistema de contención, lo que refuerza la necesidad de tener en cuenta la interacción entre el suelo y la estructura en su conjunto.

Los resultados también mostraron la importancia de factores como la presión del agua subterránea, la consolidación secundaria del suelo y la heterogeneidad estratigráfica en la evolución de los mecanismos de fallo. En particular, la capa de limos blandos localizada en el estrato 3 resultó ser un elemento clave en la pérdida de capacidad portante y el desarrollo de deformaciones excesivas.

A partir de los resultados del presente estudio, se abren diversas posibilidades para profundizar en el análisis de cimentaciones en entornos complejos. Una dirección prometedora consiste en incorporar técnicas de inteligencia artificial para detectar automáticamente los defectos mediante el procesamiento de datos de sensores de deformación y pruebas dinámicas. Esta integración permitiría establecer sistemas de supervisión continua con capacidad de aprendizaje adaptativo.

También es pertinente investigar nuevos materiales con propiedades reológicas adaptadas a entornos saturados o con baja resistencia al corte, como morteros tixotrópicos o mezclas de hormigón autocompactante con aditivos antifisuración.

Otra línea de investigación interesante es el estudio del comportamiento de los sistemas de contención bajo acciones cíclicas o sísmicas, ya que los modelos actuales tienden a centrarse en condiciones estáticas. La incorporación de elementos de análisis dinámico permitiría mejorar la resistencia global del sistema ante eventos extremos.

Por último, se propone la estandarización de protocolos para la inspección microestructural de pilotes defectuosos, en los que se establecen umbrales de aceptabilidad y criterios objetivos de intervención.

En conclusión, el estudio realizado constituye una aportación relevante y detallada al conocimiento sobre los mecanismos de fallo en cimentaciones profundas en suelos blandos. Su enfoque integral, que combina simulaciones numéricas, ensayos geotécnicos y análisis microestructurales, ofrece herramientas eficaces para detectar patologías estructurales de manera temprana. Además, sentará las bases para mejorar los procesos constructivos y desarrollar nuevas metodologías de control de calidad adaptadas a entornos complejos. La replicabilidad del modelo y su aplicabilidad en casos reales lo convierten en una referencia útil para estudiantes y profesionales de la ingeniería civil.

Referencia:

Como el artículo es en abierto, os lo dejo para su descarga:

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De vertedero a pavimento: La ciencia que mide el beneficio social de reciclar neumáticos en asfaltos

Imagine una carretera que no solo conecta lugares, sino que también genera beneficios sociales en las comunidades por donde pasa. Estamos colaborando con ingenieros chilenos para transformar neumáticos desechados en un innovador aditivo para asfalto llamado Fityre, demostrando que la sostenibilidad vial va más allá de reducir emisiones.

Un reciente estudio publicado en Applied Sciences, revista Q1 del JCR, revela que este material, elaborado con fibras textiles recicladas, supera a alternativas tradicionales en impacto social mediante una revolucionaria metodología: mapas cognitivos difusos. Estas herramientas no solo miden la resistencia o el coste, sino también cómo cada componente afecta a los empleos locales, los riesgos sanitarios y el cumplimiento de las políticas ambientales. ¿El resultado? Un modelo que podría redefinir la forma en que elegimos los materiales para construir las carreteras del futuro.

Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal, en la Universitat Politècnica de València, y es fruto de la colaboración internacional con investigadores de Chile.

El estudio establece un nuevo paradigma metodológico para cuantificar la sostenibilidad social de materiales de construcción mediante mapas cognitivos difusos (FCM), abordando una laguna crítica en la evaluación de infraestructuras. La innovación central consiste en modelar 116 interrelaciones entre 16 indicadores sociales, desde la creación de empleo local hasta la alineación con políticas de economía circular, superando las aproximaciones estáticas convencionales. Este enfoque dinámico permite simular efectos de segundo orden y dependencias no lineales entre variables, y proporciona una herramienta predictiva para diseñar políticas de materiales con un impacto social positivo.

La validación experimental del aditivo Fityre, compuesto por fibras textiles de neumáticos postconsumo (TfELT), demuestra que los materiales reciclados pueden superar a las alternativas importadas en múltiples dimensiones sociales. El análisis revela que Fityre aumenta entre un 30 y un 40 % los indicadores clave de reducción de riesgos sanitarios (I5) y contribución a la revalorización de residuos (I10), sentando un precedente para sustituir insumos vírgenes en países en vías de industrialización. Además, el marco metodológico desarrollado es adaptable para evaluar otros componentes de infraestructura, como hormigones y sistemas de drenaje urbano.

La investigación combina técnicas cualitativas y cuantitativas en tres fases secuenciales:

Construcción del modelo conceptual: mediante la triangulación de entrevistas semiestructuradas (42 expertos), la revisión de normativas chilenas (Ley REP 20.920) y el análisis de manuales técnicos, se identificaron 16 indicadores sociales agrupados en 7 criterios. Un panel Delphi de trece especialistas validó la estructura mediante consenso binomial (75 % de acuerdo).
Desarrollo del FCM: se mapearon las relaciones causales entre los indicadores mediante encuestas que asignaron pesos lingüísticos (desde muy baja hasta muy alta influencia) y polaridad (+/-) utilizando la plataforma QuestionPro. Un sistema de inferencia difusa (FIS) con funciones de membresía triangulares transformó estas respuestas cualitativas en pesos numéricos normalizados (entre -1 y +1). La estabilidad del modelo se verificó mediante iteraciones sucesivas hasta alcanzar la convergencia (<0,001 de variación entre ciclos 5-6).
Evaluación dinámica: cuatro aditivos (Fityre, fibra de vidrio, poliéster y aramida) se analizaron mediante simulación de estados iniciales (t₀) basados en datos técnicos y socioeconómicos chilenos. La contribución social se cuantificó mediante la distancia de Manhattan respecto a un punto anti-ideal, considerando tres etapas del ciclo de vida: extracción, producción y mezclado.

El FCM revela patrones que van en contra de la intuición: mientras que los indicadores técnicos (I3: contribución técnica, I14: certificaciones) muestran una alta centralidad (grado de influencia = 8,7), su impacto en la sostenibilidad social es moderado (λ = 0,42). Esto sugiere que las mejoras técnicas no garantizan beneficios sociales automáticos, por lo que son necesarias intervenciones complementarias en materia de formación laboral y divulgación comunitaria.

En el caso de Fityre, se observa un efecto multiplicador en los criterios de revalorización: cada punto porcentual en I2 (extensión de la vida útil) genera incrementos del 0,8 % en I10 (cumplimiento del REP) y del 0,5 % en I5 (reducción de incendios). Este acoplamiento refuerza la viabilidad de modelos de negocio basados en simbiosis industrial, en los que los residuos de un sector se convierten en insumos críticos para otro.

Las fibras importadas, aunque superiores en I13 (interés de los productores, 75 % frente al 51 % de Fityre), presentan vulnerabilidades sistémicas: una variación del 10 % en los costes logísticos reduce su contribución social total en un 12,4 %, frente al 4,1 % de Fityre. Esto pone de manifiesto la importancia de desarrollar cadenas de suministro locales para materiales sostenibles.

Este estudio ofrece interesantes líneas de investigación futura:

Integración con análisis de ciclo de vida híbrido: combinación de FCM con ACV mediante modelos de entrada-salida extendidos, que permiten evaluar el impacto de las decisiones sobre la huella de carbono y la creación de empleo cualificado.
Optimización multiobjetivo: aplicar algoritmos genéticos para identificar dosificaciones óptimas de aditivos que maximicen simultáneamente parámetros sociales (I4: empleo nacional), técnicos (resistencia a la fatiga) y económicos (coste por tonelada).
Estudios de percepción social: implementar sistemas de supervisión participativa en proyectos piloto para correlacionar indicadores modelados (I9: aceptación al cambio) con métricas empíricas de satisfacción comunitaria.
Escalado industrial: desarrollar protocolos para adaptar el modelo a escalas de producción masiva y analizar los efectos de las economías de escala en indicadores como I15 (disponibilidad de fibra) y I7 (cantidad requerida por mezcla).
Arquitecturas de gestión: investigar modelos de contratación pública que internalicen los hallazgos del FCM mediante cláusulas de compra verde con ponderaciones sociales explícitas en licitaciones viales.

En conclusión, este trabajo trasciende el enfoque convencional en las propiedades mecánicas de los materiales y propone un marco sistémico para la toma de decisiones en ingeniería civil. Al cuantificar cómo elecciones técnicas afectan a dinámicas sociales complejas, proporciona herramientas para alinear proyectos de infraestructura con los ODS 9 (industria innovadora) y 12 (producción responsable). Los resultados justifican políticas activas de fomento del uso de materiales reciclados locales, no solo por sus beneficios ambientales, sino también por su capacidad para generar capital social en economías emergentes.

Referencia:

SIERRA-VARELA, L.; CALABI-FLOODY, A.; VALDÉS-VIDAL, G.; YEPES, V.; FILUN-SANTANA, A. (2025). Determination of the social contribution of sustainable additives for asphalt mixes through fuzzy cognitive mapping. Applied Sciences, 15(7):3994. DOI:10.3390/app15073994

Como el artículo está publicado en abierto, os lo dejo para su descarga.

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Evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras: un análisis multicriterio y sus desafíos

A continuación, explicaremos el contenido de uno de los artículos más citados en nuestro grupo de investigación. El artículo plantea la siguiente pregunta de investigación: ¿Cómo se tratan los aspectos sociales en la evaluación multicriterio de infraestructuras? Esta cuestión se estructura en tres subpreguntas que buscan determinar qué aspectos sociales se valoran en la evaluación de infraestructuras, qué métodos multicriterio se utilizan para evaluar su contribución social y qué enfoques se aplican en la evaluación social multicriterio. La pregunta principal permite dar una respuesta clara en función de los hallazgos del estudio, que se centran en identificar métodos, criterios y limitaciones en la evaluación social de infraestructuras.

El artículo realiza una revisión sistemática de la literatura existente en el campo de la evaluación social de infraestructuras mediante métodos multicriterio. Para ello, se identificaron 94 estudios relevantes mediante una búsqueda en la base de datos Web of Science, que abarca publicaciones entre 1995 y 2017. La metodología de selección se desarrolló en dos fases. La primera consistió en seleccionar inicialmente los estudios, basándose en criterios de pertinencia y revisión por pares. En la segunda fase, se analizaron las referencias y citas de los estudios seleccionados para ampliar la muestra y obtener una visión más completa del tema. Posteriormente, los estudios fueron categorizados según los criterios sociales evaluados, los métodos multicriterio utilizados y las consideraciones de contexto, equidad y aprendizaje social en la evaluación.

El trabajo sistematiza los criterios sociales utilizados en la evaluación de infraestructuras y los clasifica en siete dimensiones. La primera es el capital humano, que abarca las necesidades básicas, la educación y la salud. La segunda dimensión es el capital comunitario, que incluye la opinión pública, la estética y la seguridad. En tercer lugar, se encuentra el capital cultural, relacionado con la preservación de valores culturales tangibles e intangibles. La cuarta dimensión es el capital productivo, que tiene en cuenta la movilidad, la accesibilidad y la urbanización. En quinto lugar, el capital social e institucional se refiere a la participación de los actores y su capacidad de gestión. La sexta dimensión, el sistema socioeconómico, comprende el desarrollo económico regional y el empleo. Finalmente, la séptima dimensión es la relación entre la empresa y la comunidad, que engloba el diseño centrado en el usuario y las prácticas laborales éticas.

Además, el estudio analiza los métodos multicriterio más empleados, entre los que destacan el Analytic Hierarchy Process (AHP), el Simple Additive Weighting (SAW) y el Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS). Se identifican brechas en la consideración de equidad, incertidumbre y aprendizaje social en las evaluaciones existentes, lo que sugiere la necesidad de mejorar los enfoques actuales para una evaluación más integral.

Los hallazgos revelan que la evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras ha recibido menos atención que las dimensiones económica y ambiental. Ciertos criterios, como la movilidad, la seguridad y el desarrollo local, se tienen en cuenta recurrentemente en los estudios analizados, mientras que otros, como la equidad en la distribución de beneficios y la participación comunitaria, se abordan menos. Además, los métodos actuales no abordan de manera adecuada la incertidumbre inherente a los aspectos sociales, lo que limita su aplicabilidad en contextos dinámicos y diversos. Ante esta situación, el artículo propone utilizar herramientas como la teoría de conjuntos difusos y los sistemas grises para mejorar la representación de estos factores en los modelos de evaluación.

El artículo plantea varias líneas de investigación futuras para mejorar la evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras. En primer lugar, se recomienda el desarrollo de métodos que tengan en cuenta la equidad en la distribución de beneficios. En segundo lugar, se plantea la integración de técnicas de gestión de incertidumbre en los modelos multicriterio para mejorar su aplicabilidad en distintos contextos. Asimismo, se enfatiza la necesidad de fortalecer la participación de los interesados en los procesos de evaluación para promover modelos de toma de decisiones más inclusivos. Por último, se sugiere la aplicación de enfoques de aprendizaje social para mejorar la adaptabilidad de las evaluaciones a distintos contextos y garantizar una toma de decisiones más informada y eficaz.

En resumen, el estudio ofrece un análisis detallado sobre la evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras mediante métodos multicriterio. Se destaca la necesidad de mejorar la representación de la equidad y la incertidumbre en los modelos existentes, así como la oportunidad de desarrollar metodologías que fomenten la inclusión de los actores implicados en el proceso de evaluación. Además, se subraya la importancia de promover procesos de aprendizaje social que permitan adaptar mejor las evaluaciones a los distintos contextos en los que se desarrollan las infraestructuras. En este sentido, el artículo supone un avance significativo en la comprensión de la evaluación social de infraestructuras y sentará las bases para futuras investigaciones en este campo.

Glosario de términos clave

Evaluación multicriterio: Un conjunto de métodos y técnicas que permiten analizar problemas complejos en los que se deben considerar múltiples criterios, a menudo conflictivos, para tomar una decisión o realizar una valoración.
Infraestructura: Las estructuras físicas y organizativas básicas necesarias para el funcionamiento de una sociedad o empresa, como carreteras, puentes, sistemas de energía, comunicaciones, etc.
Sostenibilidad Social: Una dimensión de la sostenibilidad que se centra en el impacto de las actividades humanas en las personas y en la sociedad en general, incluyendo aspectos como la equidad, la justicia social, la salud, la seguridad y la participación comunitaria.
Revisión sistemática de la literatura: Un método riguroso y transparente para identificar, seleccionar, evaluar y sintetizar todas las evidencias empíricas relevantes para responder a una pregunta de investigación específica.
Capital humano: Los conocimientos, habilidades, competencias y atributos incorporados en los individuos que facilitan la creación de valor económico y social.
Capital comunitario: Los recursos y relaciones sociales dentro de una comunidad que fomentan la cooperación y el beneficio mutuo, incluyendo aspectos como la confianza, las normas y las redes sociales.
Capital cultural: Los activos culturales, tanto tangibles (patrimonio físico, obras de arte) como intangibles (tradiciones, conocimientos, expresiones artísticas), que tienen valor social, económico e histórico.
Equidad: La cualidad de ser justo e imparcial, asegurando que los beneficios y las cargas se distribuyan de manera proporcional y considerando las diferentes necesidades y circunstancias.
Incertidumbre: La falta de certeza o conocimiento preciso sobre eventos futuros, sus probabilidades y sus posibles consecuencias.
Aprendizaje social: Un proceso colectivo a través del cual los individuos y los grupos adquieren nuevos conocimientos, habilidades y comprensiones a través de la interacción, la experiencia y la reflexión conjunta.
Analytic Hierarchy Process (AHP): Un método multicriterio que estructura un problema de decisión en una jerarquía de criterios, subcriterios y alternativas, y utiliza comparaciones pareadas para determinar las prioridades relativas.
Simple Additive Weighting (SAW): Un método multicriterio que asigna pesos a cada criterio y calcula una puntuación total para cada alternativa multiplicando su rendimiento en cada criterio por el peso del criterio y sumando los resultados.
Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS): Un método multicriterio que identifica la alternativa con la distancia más corta a la solución ideal positiva y la distancia más larga a la solución ideal negativa.
Teoría de conjuntos difusos: Un marco matemático que permite representar y manejar la imprecisión y la vaguedad en la información, utilizando grados de pertenencia en lugar de la lógica binaria tradicional.
Sistemas grises: Un enfoque metodológico diseñado para analizar y modelar sistemas con información incompleta o incierta, utilizando conceptos como intervalos numéricos y números grises para representar la incertidumbre.
Partes interesadas (Stakeholders): Individuos, grupos u organizaciones que pueden afectar o ser afectados por las decisiones o actividades de un proyecto o política.

Os dejo un pequeño programa de radio sobre este tema (en inglés).

Os dejo un mapa mental del trabajo.

Referencia:

SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures. Journal of Cleaner Production, 187:496-513. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.03.022

Como el artículo se publicó en abierto, lo dejo por si lo queréis consultar.

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El impacto del cambio climático en las infraestructuras

DANA OCTUBRE 2024 – Vías del Metro entre Picanya y Paiporta. https://commons.wikimedia.org/

El diseño y la planificación de infraestructuras se han basado históricamente en el análisis de datos climáticos pasados para definir criterios estructurales de seguridad. Sin embargo, la aceleración del cambio climático ha puesto en cuestión la validez de esta metodología y ha obligado a reconsiderar los fundamentos sobre los que se establecen los códigos de construcción y las normativas de diseño. El carácter no estacionario del clima, la creciente magnitud de los eventos meteorológicos extremos y la necesidad de infraestructuras más resilientes han convertido la adaptación al cambio climático en un imperativo técnico y social.

Las estructuras deben garantizar la seguridad de sus ocupantes en condiciones tanto ordinarias como extremas, así como su funcionalidad a lo largo de su ciclo de vida. Es preciso tener en cuenta que la frecuencia y severidad de ciertos fenómenos, como tormentas, inundaciones y variaciones térmicas, ya no pueden preverse con precisión únicamente mediante datos históricos. La integración de modelos de análisis probabilístico y enfoques basados en la fiabilidad estructural representa una vía fundamental para mitigar los riesgos asociados al cambio climático y asegurar la estabilidad y operatividad de infraestructuras críticas en el futuro.

El fin de la estacionariedad climática y sus implicaciones en el diseño estructural

El diseño estructural se ha desarrollado bajo la premisa de que las condiciones climáticas permanecen relativamente estables a lo largo del tiempo, lo que ha permitido definir cargas normativas basadas en registros históricos. No obstante, el cambio climático ha invalidado esta hipótesis al introducir una variabilidad que altera tanto la frecuencia como la intensidad de los fenómenos atmosféricos y compromete la fiabilidad de los métodos de predicción empleados en el ámbito de la ingeniería.

Las estructuras diseñadas bajo códigos convencionales pueden experimentar cargas superiores a las previstas en su diseño original, lo que resulta en un aumento del riesgo estructural y la necesidad de reevaluaciones constantes para garantizar su seguridad. La acumulación de efectos derivados de condiciones climáticas extremas no solo afecta a la estabilidad estructural inmediata, sino que acelera los procesos de deterioro de los materiales y compromete la capacidad de servicio de la infraestructura a largo plazo.

El análisis de la no estacionariedad climática requiere el desarrollo de nuevas herramientas de modelado que permitan proyectar escenarios de carga climática futura con mayor precisión. La variabilidad espacial y temporal de las alteraciones climáticas obliga a establecer criterios de diseño diferenciados según la localización geográfica, la exposición a determinados fenómenos y la importancia funcional de cada infraestructura. En este contexto, la colaboración entre científicos del clima e ingenieros estructurales se erige como un componente esencial para la elaboración de mapas de cargas dinámicos que reflejen las condiciones cambiantes del entorno.

Aumento de cargas climáticas y su impacto en la estabilidad estructural

El cambio climático incide directamente en la magnitud y distribución de las cargas climáticas, lo que supone un desafío significativo para el diseño estructural. El incremento de la temperatura media global y la intensificación de eventos meteorológicos extremos tienen un impacto directo en la resistencia y durabilidad de los materiales de construcción, lo que requiere una revisión exhaustiva de los criterios de diseño para adaptarlos a condiciones más exigentes.

El aumento de la carga de viento, debido a la mayor frecuencia de tormentas severas y huracanes, plantea desafíos particulares para estructuras expuestas a esfuerzos aerodinámicos, tales como rascacielos, puentes y torres de telecomunicaciones. La variabilidad en la dirección y velocidad de los vientos extremos introduce incertidumbre en el diseño convencional, lo que requiere la aplicación de metodologías de análisis probabilístico que permitan anticipar los efectos acumulativos de estas fuerzas sobre los elementos estructurales.

Ciertamente, la carga de nieve y hielo constituye un factor de riesgo cuya evolución en un clima cambiante requiere especial atención. En climas fríos, la combinación de precipitaciones extremas y ciclos de congelación y deshielo genera esfuerzos adicionales sobre cubiertas y soportes, lo que puede ocasionar la fatiga de los materiales y aumentar el riesgo de fallos estructurales. La acumulación de hielo en líneas de transmisión eléctrica y otros elementos de infraestructura crítica puede comprometer su funcionalidad, lo que resalta la necesidad imperante de implementar estrategias de adaptación en el diseño de dichos sistemas.

El aumento del nivel del mar y la intensificación de tormentas costeras representan amenazas crecientes para las infraestructuras situadas en zonas litorales. La erosión del suelo y la intrusión salina pueden afectar la estabilidad de las cimentaciones y las estructuras de contención, mientras que el aumento en la magnitud de las marejadas ciclónicas aumenta el riesgo de colapso en las edificaciones expuestas. Por lo tanto, es esencial adoptar enfoques probabilísticos para estimar las cargas de inundación y considerar criterios de adaptación costera en el diseño estructural, con el fin de mitigar estos efectos y garantizar la seguridad y estabilidad de las infraestructuras en zonas litorales.

Resiliencia estructural y continuidad operativa en escenarios de riesgo creciente

En lo que respecta a la resistencia inmediata de las infraestructuras a eventos climáticos extremos, su capacidad de recuperación y continuidad operativa tras un desastre constituye un aspecto de suma importancia en el contexto del cambio climático. La resiliencia estructural implica no solo garantizar que las edificaciones y redes de transporte soporten cargas excepcionales sin fallar, sino también que puedan volver a estar plenamente operativas en un tiempo razonable tras una interrupción.

La planificación de infraestructuras resilientes requiere un enfoque basado en la funcionalidad tras el desastre, estableciendo criterios de diseño que permitan minimizar los tiempos de inactividad y optimizar los procesos de reparación y reconstrucción. Este enfoque cobra especial relevancia en infraestructuras críticas, tales como hospitales, plantas de tratamiento de agua y redes de energía, cuya operatividad continua resulta esencial para la estabilidad de las comunidades.

El diseño basado en rendimiento (Performance-Based Design, PBD) surge como una herramienta clave para integrar la resiliencia en la ingeniería estructural. A diferencia de los enfoques convencionales basados en requisitos normativos predeterminados, el PBD permite establecer objetivos concretos de rendimiento para cada tipo de estructura, considerando tanto su resistencia ante cargas extremas como su capacidad de recuperación tras eventos disruptivos.

Conclusión: La adaptación de las infraestructuras al cambio climático como una necesidad inaplazable

La evidencia científica sobre el impacto del cambio climático en la infraestructura es concluyente y requiere una revisión exhaustiva de los criterios de diseño estructural. La dependencia exclusiva de datos históricos ya no constituye una estrategia viable en un contexto donde la frecuencia e intensidad de eventos extremos están en constante aumento. Por ello, es necesario implementar análisis probabilísticos, actualizar periódicamente los mapas de cargas climáticas y adoptar estrategias de resiliencia estructural. Estos cambios son fundamentales para garantizar la seguridad y funcionalidad de las infraestructuras en el futuro.

La ingeniería estructural debe evolucionar hacia un enfoque basado en la adaptación y la gestión del riesgo, integrando modelos de predicción climática en el diseño y planificación de nuevas construcciones. La colaboración entre ingenieros, científicos del clima y responsables de políticas públicas será esencial para desarrollar normativas que reflejen la realidad cambiante del entorno y permitan la creación de infraestructuras más seguras y sostenibles.

La adaptación al cambio climático no es únicamente una cuestión técnica, sino una necesidad económica y social que determinará la capacidad de las comunidades para hacer frente a los desafíos del siglo XXI. El diseño estructural del futuro debe asumir este reto con un enfoque proactivo, asegurando que las infraestructuras no solo resistan el clima cambiante, sino que también contribuyan a la estabilidad y el bienestar de la sociedad en su conjunto.

Referencias:

ASCE. (2015). Adapting infrastructure and civil engineering practice to a changing climate. Reston, VA: ASCE.
ASCE. (2018). Climate-resilient infrastructure: Adaptive design and risk management, MOP 140. Reston, VA: ASCE.
ASCE. (2021). Hazard-resilient infrastructures: Analysis and design, MOP 144. Reston, VA: ASCE.
Bruneau, M., Barbato, M., Padgett, J. E., Zaghi, A. E., et al. (2017). State-of-the-art on multihazard design. Journal of Structural Engineering, 143(10), 03117002.
Cooke, R. M. (2015). Messaging climate change uncertainty. Nature Climate Change, 5(1), 8–10.
Ellingwood, B. R., van de Lindt, J. W., & McAllister, T. (2020). Community resilience: A new challenge to the practice of structural engineering. Structural Magazine, 27(11), 28–30.
Ellingwood, B. R., Bocchini, P., Lounis, Z., Ghosn, M., Liu, M., Yang, D., Capacci, L., Diniz, S., Lin, N., Tsiatas, G., Biondini, F., de Lindt, J., Frangopol, D.M., Akiyama, M., Li, Y., Barbato, M., Hong, H., McAllister, T., Tsampras, G. & Vahedifard, F. (2024). Impact of Climate Change on Infrastructure Performance. In Effects of Climate Change on Life-Cycle Performance of Structures and Infrastructure Systems: Safety, Reliability, and Risk (pp. 115-206). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
Eisenhauer, E., Henson, S., Matsler, A., Maxwell, K., Reilly, I., Shacklette, M., Julius, S., Kiessling, B., Fry, M., Nee, R., Bryant, J., Finley, J., & Kieber, B. (2024). Centering equity in community resilience planning: Lessons from case studies. Natural Hazards Forum, Washington, D.C.
IPCC (1997). The regional impacts of climate change: an assessment of vulnerability. IPCC, Geneva.
McAllister, T., Walker, R., & Baker, A. (2022). Assessment of resilience in codes, standards, regulations, and best practices for buildings and infrastructure systems. NIST Technical Note 2209. National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.TN.2209
O’Neill, B., van Aalst, M., Zaiton Ibrahim, Z., Berrang Ford, L., Bhadwal, S., Buhaug, H., Diaz, D., Frieler, K., Garschagen, M., Magnan, A., Midgley, G., Mirzabaev, A., Thomas, A., & Warren, R. (2022). Key risks across sectors and regions. In H.-O. Pörtner, D. C. Roberts, M. Tignor, E. S. Poloczanska, K. Mintenbeck, A. Alegría, M. Craig, S. Langsdorf, S. Löschke, V. Möller, A. Okem, & B. Rama (Eds.), Climate change 2022: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (pp. 2411–2538). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009325844.025
Poland, C. D. (2009). The resilient city: Defining what San Francisco needs from its seismic mitigation policies. San Francisco Planning and Urban Research Association Report. Earthquake Engineering Research Institute.
Vogel, J., Carney, K. M., Smith, J. B., Herrick, C., et al. (2016). Climate adaptation: The state of practice in US communities. The Kresge Foundation and Abt Associates.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

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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