Diseño optimizado de edificios de pórticos de hormigón armado frente al colapso progresivo mediante metamodelos

El diseño estructural de los edificios plantea importantes retos para garantizar su seguridad y sostenibilidad. El colapso progresivo, provocado por eventos extremos como terremotos o explosiones, puede ocasionar daños catastróficos. Para reducir este riesgo, se propone una metodología de diseño apoyada en metamodelos que combina optimización estructural y criterios de seguridad, y que tiene en cuenta elementos que a menudo se pasan por alto, como los forjados, las pantallas de arriostramiento y la interacción suelo-estructura (SSI, por sus siglas en inglés).

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. También es fruto de la colaboración con investigadores de Brasil y Cuba.

Metodología

Descripción del problema

Se estudiaron cinco edificios de pórticos de hormigón armado con diferentes configuraciones de plantas y luces. Las estructuras incluyen vigas, columnas, forjados y pantallas de arriostramiento. Además, se incorporó el diseño optimizado de cimentaciones, considerando la interacción con el suelo mediante modelos de elasticidad lineal. Las dimensiones de los elementos estructurales se ajustaron siguiendo las normas internacionales de diseño y se consideraron distintas combinaciones de carga para evaluar escenarios críticos.

Se realizaron simulaciones numéricas avanzadas que tuvieron en cuenta escenarios de carga extremos, incluyendo la pérdida de columnas críticas en diversas posiciones. En el análisis se tuvieron en cuenta factores de seguridad, límites de servicio y fallos estructurales para determinar los diseños óptimos. También se tuvieron en cuenta criterios de sostenibilidad y se midieron las emisiones de CO₂ asociadas a cada solución.

Optimización basada en un diseño robusto frente al colapso progresivo (ObRDPC)

La metodología ObRDPC se centra en minimizar las emisiones de CO₂ como función objetivo, garantizando simultáneamente la robustez estructural mediante restricciones de seguridad. Para evaluar el colapso progresivo y simular la pérdida de columnas críticas, así como analizar la redistribución de cargas, se empleó el método de camino alternativo (AP). La metodología incluye la verificación de estados límite últimos y de servicio, lo que garantiza el cumplimiento de los requisitos normativos.

El proceso de optimización incluye la definición precisa de las variables de diseño, como las dimensiones de las vigas, columnas y cimentaciones, así como el tipo de hormigón utilizado. Para maximizar la eficiencia estructural y minimizar los costos ambientales, se aplican técnicas de programación matemática.

Modelización de forjados y pantallas de arriostramiento

Forjados: se modelaron como elementos tipo placa de 12 cm de espesor y se conectaron a las vigas mediante nodos rígidos para asegurar la continuidad estructural. Se realizó una discretización adecuada para representar su comportamiento realista ante cargas verticales y horizontales. El análisis incluyó el comportamiento a flexión, los efectos de cargas concentradas y la interacción con los elementos perimetrales. Se consideraron diferentes configuraciones de refuerzo para maximizar la resistencia y minimizar las deformaciones.
Pantallas de arriostramiento: representadas mediante diagonales equivalentes elásticas, según las especificaciones normativas. Se definieron sus propiedades mecánicas mediante modelos experimentales previos, incluyendo el módulo de elasticidad y la resistencia a compresión. Se estudiaron distintos tipos de mampostería y su influencia en la resistencia general. Las pantallas de arriostramiento también se evaluaron como elementos activos en la redistribución de cargas después de eventos que provocan la pérdida de soporte, lo que mejora la estabilidad global del sistema estructural.

Interacción suelo-estructura (SSI)

Se consideró el asentamiento diferencial de las cimentaciones mediante coeficientes de rigidez calculados según modelos elásticos. El suelo se modeló como un medio elástico semiespacial. En el análisis se incluyó la interacción entre la superestructura y el terreno para capturar los efectos de asentamientos desiguales y su impacto en el estado de esfuerzos y deformaciones.

En el análisis se tuvieron en cuenta diferentes tipos de suelos, desde arcillas de baja resistencia hasta suelos granulares compactados. Se realizaron estudios paramétricos para evaluar la sensibilidad del sistema a variaciones en la rigidez del terreno y el módulo de elasticidad del hormigón.

Cinco estudios de casos que consideran la modelización de cimientos, forjados y pantallas de arriostramiento.

Optimización asistida por metamodelos

Se utilizaron técnicas avanzadas de optimización asistida por metamodelos para reducir la carga computacional. El proceso incluyó un muestreo inicial mediante muestreo hipercúbico latino para cubrir eficientemente el espacio de diseño, seguido de la construcción del metamodelo a través de técnicas de interpolación Kriging para aproximar las respuestas estructurales, evaluando múltiples configuraciones para garantizar la precisión. Posteriormente, se aplicó una optimización global utilizando algoritmos evolutivos, como la Biogeography-based Optimization (BBO), para explorar soluciones factibles y un método iterativo para refinar las soluciones y garantizar su viabilidad en condiciones críticas.

Resultados

Impacto de forjados y pantallas de arriostramiento

La inclusión de forjados y pantallas de arriostramiento mejoró significativamente la redistribución de cargas y la resistencia al colapso progresivo. El análisis mostró una reducción del 11 % en el impacto ambiental para diseños resistentes al colapso, en comparación con modelos que solo consideran vigas y columnas.

Se observó una mejora notable en la capacidad de redistribución de cargas después de la pérdida de columnas críticas. Las pantallas de arriostramiento actuaron como elementos resistentes adicionales, mitigando fallos en los elementos primarios y reduciendo los desplazamientos globales.

Comparación de enfoques de diseño

Se observó que aumentar el número de niveles incrementa la robustez estructural debido a la mayor redundancia de elementos. Sin embargo, el incremento de la longitud de las luces de las vigas reduce esta capacidad, por lo que es necesario utilizar secciones más robustas y aplicar mayores refuerzos.

Los modelos con luces de 8 m presentaron un aumento del 50 % en las emisiones de CO₂ cuando no se incluyeron forjados ni pantallas de arriostramiento. Al incorporarlos, se consiguió reducir este incremento a la mitad.

Recomendaciones prácticas para el diseño estructural

Incluir forjados y pantallas de arriostramiento: Su integración mejora significativamente la resistencia al colapso progresivo, particularmente en edificios con luces amplias.
Optimizar secciones estructurales: Diseñar secciones de vigas y columnas equilibrando rigidez y eficiencia económica.
Evaluar diferentes tipos de cimentaciones: Incorporar análisis de interacción suelo-estructura para definir bases óptimas.
Aplicar análisis paramétricos: Evaluar la sensibilidad de los diseños a variaciones en la resistencia del hormigón y las condiciones geotécnicas.
Considerar combinaciones de carga extremas: Simular múltiples fallos para garantizar diseños robustos y seguros.

Conclusión

La optimización basada en un diseño robusto frente al colapso progresivo (ObRDPC) permite diseñar estructuras resistentes al colapso progresivo con menor impacto medioambiental. El uso de metamodelos y la consideración de forjados, pantallas de arriostramiento y la interacción suelo-estructura mejoran significativamente la seguridad estructural y la sostenibilidad del diseño. Se recomienda ampliar esta investigación a otros tipos de estructuras y condiciones geotécnicas complejas para validar y perfeccionar la metodología propuesta.

Referencia:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Metamodel-assisted design optimization of robust-to-progressive-collapse RC frame buildings considering the impact of floor slabs, infill walls, and SSI implementation. Engineering Structures, 325:119487. DOI:10.1016/j.engstruct.2024.119487

El artículo os lo podéis descargar gratuitamente, hasta el 1 de febrero de 2025, en el siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/c/1kFtRW4G4f7uC

Optimización de programas de mantenimiento vial: eficiencia y estrategias a largo plazo con algoritmos heurísticos.

El artículo, titulado «Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid Greedy Randomized Adaptive Search Procedure Algorithm», escrito por Víctor Yepes, Cristina Torres-Machí, Alondra Chamorro y Eugenio Pellicer, y publicado en el Journal of Civil Engineering and Management, presenta una innovadora herramienta para la gestión eficiente del mantenimiento vial. Este trabajo aborda cómo diseñar programas que maximicen la efectividad a largo plazo (Long-Term Effectiveness, LTE) en redes viales, superando las limitaciones presupuestarias y el desgaste progresivo de las infraestructuras. Para ello, se desarrolla un enfoque híbrido que combina los algoritmos Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) y Threshold Accepting (TA), lo que permite optimizar la asignación de recursos y cumplir con restricciones técnicas y económicas. Entre los resultados más destacados, se encuentra una mejora del 40 % en la LTE en comparación con estrategias reactivas, que también subraya la importancia de priorizar inversiones tempranas y de implementar tratamientos preventivos como la opción más eficiente a largo plazo.

Introducción

La infraestructura vial es uno de los activos más valiosos de cualquier nación, ya que tiene un impacto directo en el desarrollo económico y social al facilitar el transporte de bienes y personas, por lo que es necesario realizar un mantenimiento adecuado para evitar el deterioro y el incremento de los costes futuros de rehabilitación. Sin embargo, los presupuestos de las agencias públicas son limitados y no alcanzan a cubrir las necesidades de conservación, lo que genera una brecha cada vez mayor entre el estado actual de las infraestructuras y los niveles de inversión requeridos. En Estados Unidos, un tercio de las carreteras están en condiciones mediocres o deficientes, y uno de cada nueve puentes presenta deficiencias estructurales. En España, las necesidades de mantenimiento vial superan los 5500 millones de euros, pero los presupuestos se redujeron un 20 % en 2012, lo que agravó aún más la situación. Este mantenimiento tardío no solo incrementa los riesgos estructurales, sino que también triplica los costes de rehabilitación y los gastos operativos de los vehículos, lo que plantea un problema central: decidir cómo asignar los fondos disponibles de forma óptima para maximizar el rendimiento a largo plazo de las infraestructuras, respetando restricciones técnicas y económicas, y considerando los beneficios acumulados para los usuarios.

Metodología

Formulación del problema de optimización

El problema se define como la maximización de la LTE, un indicador que mide los beneficios acumulados derivados de una infraestructura bien mantenida durante su ciclo de vida.

Función objetivo:
- Maximizar el área bajo la curva de rendimiento de las infraestructuras (Area Bounded by the Performance Curve, ABPC). Este área refleja la calidad y el nivel de servicio de la infraestructura a lo largo del tiempo.
Restricciones:
- Presupuestaria: Garantizar que los costos anuales de mantenimiento no excedan el presupuesto disponible en cada año del periodo de planificación.
- Técnica: Mantener las secciones de la red en una condición mínima aceptable. Esto se evalúa mediante indicadores como el Urban Pavement Condition Index (UPCI, Índice de Condición del Pavimento Urbano), que clasifica la calidad del pavimento en una escala del 1 (peor) al 10 (mejor).
Variables de diseño:
- Determinar qué secciones de la red deben tratarse, qué tratamiento aplicar y en qué momento realizarlo durante el horizonte de planificación.
Parámetros:
- Inventario: Datos sobre el tipo de pavimento, su longitud y ancho, condiciones climáticas y características del tráfico.
- Técnicos: Condición inicial del pavimento, modelos de deterioro a lo largo del tiempo y el conjunto de tratamientos disponibles.
- Económicos: Costos unitarios de mantenimiento para cada tratamiento.
- Estratégicos: Periodo de planificación, tasa de descuento y estándares mínimos requeridos.

Las actividades de mantenimiento conllevan un aumento de la vida útil del firme (ΔSL) y, por tanto, una mejora inmediata de su estado (ΔUPCI) en el momento de su aplicación

Algoritmo GRASP-TA

El enfoque híbrido combina dos estrategias complementarias:

GRASP (Procedimiento de Búsqueda Aleatoria Codiciosa Adaptativa):
- Genera una población inicial de soluciones viables considerando una relajación controlada de las restricciones presupuestarias.
- Utiliza funciones de priorización para evaluar el impacto de cada posible tratamiento en la LTE y seleccionar las mejores alternativas mediante un proceso probabilístico.
TA (Aceptación de Umbral):
- Realiza una optimización local a las soluciones generadas por GRASP.
- Permite aceptar soluciones ligeramente peores en las primeras iteraciones para evitar quedarse atrapado en óptimos locales.
- Ajusta iterativamente las restricciones presupuestarias relajadas en GRASP para cumplir con las condiciones originales.

Efecto del tratamiento *s_n* para construir la solución en el año t con el algoritmo GRASP

Caso de estudio: red urbana en Santiago, Chile

La red analizada se encuentra en Santiago de Chile. Está compuesta por 20 secciones con pavimentos flexibles (asfálticos) y rígidos (hormigón). El clima de la región es mediterráneo, lo que influye en los patrones de deterioro del pavimento. La condición inicial media de la red es 6,8, según el Índice de Condición del Pavimento Urbano (UPCI), lo que indica una calidad intermedia.

Para los pavimentos asfálticos, los tratamientos evaluados incluyeron opciones de preservación, mantenimiento y rehabilitación. En preservación, el sellado de fisuras aumenta la vida útil en 2 años y tiene un coste de 0,99 USD/m². En el mantenimiento, el fresado y la repavimentación funcional ofrecen 10 años de vida útil por 23,24 USD/m². En rehabilitación, la rehabilitación en frío alcanza los 13 años con un coste de 36,50 USD/m².

Para los pavimentos de hormigón, los tratamientos incluyeron preservación y rehabilitación. El pulido con diamante aumenta la vida útil en 10 años y tiene un coste de 15,39 USD/m². La reconstrucción completa proporciona 25 años de servicio por un coste de 134,60 USD/m². Estos tratamientos representan opciones para diferentes niveles de deterioro y requisitos estructurales.

El programa optimizado mostró un impacto significativo en la efectividad a largo plazo (LTE). Se logró una mejora del 40 % en la LTE en comparación con las estrategias reactivas. Los tratamientos preventivos dominaron las decisiones, seleccionándose en el 80 % de los casos, lo que evidencia su mayor efectividad frente a opciones correctivas o de rehabilitación.

En términos de coste-eficacia, no se seleccionaron los tratamientos reciclados. Aunque ofrecen beneficios similares en términos de vida útil, su alto coste los hace menos competitivos frente a alternativas más económicas, lo que destaca la importancia de equilibrar costes y beneficios en el diseño de programas de mantenimiento.

Análisis de escenarios

1. Escenarios de inventario:

Se analizaron redes con diferentes proporciones de pavimentos asfálticos y de hormigón, con configuraciones del 25 %, 50 % y 75 % para cada tipo. También se estudiaron tres condiciones iniciales de las redes: buenas, intermedias y deficientes. Este análisis permitió evaluar la influencia de las características estructurales y del estado inicial en la optimización de los programas de mantenimiento.

En todos los casos, los resultados mostraron que la optimización mediante el algoritmo GRASP-TA era superior a las estrategias reactivas tradicionales. Esto demostró que el método es altamente adaptable a diversas configuraciones de red y capaz de ofrecer soluciones efectivas en términos de LTE, independientemente de las características de la red o de su estado inicial.

2. Escenarios presupuestarios:

El análisis incluyó variaciones en el presupuesto total, con incrementos y reducciones de hasta el 20 %, así como cambios en la distribución de los fondos a lo largo del tiempo. Se evaluaron dos configuraciones principales para entender su impacto en el rendimiento a largo plazo.

El escenario con mayor inversión en los primeros años mostró un aumento significativo de la LTE. Esto puso de manifiesto que la asignación temprana de fondos mejora sustancialmente los resultados del mantenimiento. Por el contrario, los aumentos progresivos anuales redujeron la LTE en un 15 % respecto al caso base, lo que indica que posponer la inversión perjudica el rendimiento de la red.

Conclusiones

Asignar más recursos durante los primeros años de un programa de mantenimiento es fundamental para optimizar el rendimiento a largo plazo de las infraestructuras. Este análisis pone de manifiesto la importancia de una planificación presupuestaria estratégica, ya que señala que el momento en que se invierten los recursos tiene un impacto considerable en los beneficios acumulados de la red.

Eficiencia del método GRASP-TA: Diseña programas que maximizan la LTE bajo restricciones técnicas y económicas reales.
Importancia de la prevención: Las actividades preventivas son significativamente más rentables a largo plazo.
Estrategias presupuestarias: Es esencial priorizar mayores inversiones en los primeros años del programa para maximizar su impacto.
Limitaciones de los tratamientos reciclados: Aunque presentan beneficios ambientales, su alto costo relativo limita su inclusión en las soluciones optimizadas cuando solo se consideran aspectos técnicos y económicos.

Como recomendaciones futuras habría que integrar criterios de sostenibilidad, como impactos ambientales y sociales, y extender el análisis a redes más grandes y diversas.

Referencia:

YEPES, V.; TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E. (2016). Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm. Journal of Civil Engineering and Management, 22(4):540-550. DOI:10.3846/13923730.2015.1120770

Aquí os dejo el artículo por si os resulta de interés.

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Tesis doctoral: Optimización social y ambiental de estructuras prefabricadas de hormigón armado bajo presupuestos restrictivos

De izquierda a derecha: Julián Alcalá, Tatiana García, Andrés Ruiz, Salvador Ivorra, Antonio Tomás y Víctor Yepes

Ayer, 4 de diciembre de 2024, tuvo lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Andrés Ruiz Vélez, titulada “Optimal design of socially and environmentally efficient reinforced concrete precast modular road frames under constrained budgets”, dirigida por los profesores Víctor Yepes Piqueras y Julián Alcalá González. La tesis recibió la calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un pequeño resumen de la misma.

Resumen:

La infraestructura de transporte es esencial para el desarrollo humano, ya que impulsa el crecimiento industrial y promueve la evolución social al mejorar la interacción y la conectividad. Su construcción actúa como un catalizador de transformaciones socioeconómicas, puesto que fomenta las economías locales y facilita el flujo de recursos y de la fuerza laboral. Sin embargo, la creciente concienciación sobre los impactos negativos de las prácticas insostenibles en la ingeniería de la construcción exige una transición hacia métodos más responsables. Históricamente, la viabilidad económica ha sido el enfoque principal en ingeniería estructural. No obstante, en la actualidad se otorga mayor relevancia a la evaluación de los impactos a lo largo del ciclo de vida de los proyectos. Aunque este enfoque supone un avance en la integración del diseño estructural con los objetivos de desarrollo sostenible, todavía no abarca plenamente la complejidad y diversidad que implica la sostenibilidad a lo largo de todo el ciclo de vida de las infraestructuras.

Esta tesis doctoral desarrolla de manera sistemática un marco de diseño que integra la sostenibilidad en la construcción de infraestructuras de transporte. Se propone un enfoque modular y prefabricado para proyectos de estructuras viales, que se posiciona como una alternativa más eficiente y atractiva frente a los métodos tradicionales de hormigonado in situ. El diseño estructural, junto con los procesos ambientales y sociales asociados al ciclo de vida de la estructura, se modela mediante un enfoque matemático avanzado. Este modelo permite aplicar técnicas de optimización monoobjetivo y multiobjetivo, combinadas con algoritmos multicriterio de toma de decisiones. Dada la complejidad y la diversidad de variables involucradas, el uso de métodos exactos de optimización no es viable. Por ello, la investigación adopta metaheurísticas híbridas y basadas en entornos para minimizar el coste final de la estructura desde una perspectiva monoobjetivo. Entre las técnicas evaluadas, las metaheurísticas de recocido simulado y aceptación por umbrales, calibradas con cadenas de mayor longitud, ofrecen resultados de alta calidad, aunque con un considerable esfuerzo computacional. En contraste, una versión híbrida del recocido simulado enriquecida con un operador de mutación común en algoritmos basados en poblaciones alcanza soluciones de calidad comparable con un menor esfuerzo computacional. La hibridación de metaheurísticas se presenta como una estrategia eficaz para ampliar las capacidades exploratorias de estos algoritmos, optimizando el equilibrio entre la calidad de los resultados y la eficiencia computacional.

El análisis del ciclo de vida de diferentes configuraciones de marcos con un coste óptimo revela claras ventajas ambientales del enfoque modular prefabricado en comparación con la construcción convencional in situ. Sin embargo, las implicaciones sociales son más complejas y destacan la relevancia de incorporar los impactos del ciclo de vida como funciones objetivo en el proceso de optimización. Este hallazgo subraya la necesidad de emplear técnicas multicriterio para evaluar y clasificar eficazmente las alternativas. De este modo, se garantiza un equilibrio adecuado entre los impactos ambientales y sociales, y se asegura una toma de decisiones más integral y sostenible dentro del marco del diseño y la planificación.

Esta investigación desarrolla operadores de cruce, mutación y reparación diseñados para discretizar eficazmente el problema de optimización, dotando así a los algoritmos genéticos y evolutivos de la capacidad necesaria para abordar la complejidad del proceso de optimización multiobjetivo. En particular, el operador de reparación estadístico muestra un buen rendimiento cuando se combina con los algoritmos genéticos NSGA-II y NSGA-III, así como con el algoritmo evolutivo RVEA. Aunque existen diferencias metodológicas entre estas técnicas, la herramienta de toma de decisiones FUCA produce clasificaciones equivalentes a las obtenidas mediante el método de ponderación aditiva simple. Esta coherencia también se observa con técnicas como TOPSIS, PROMETHEE y VIKOR. Para garantizar la imparcialidad en la ponderación de criterios, se aplica un proceso de cálculo basado en la teoría de la entropía, lo que proporciona un enfoque metódico a las técnicas de decisión multicriterio. La integración de algoritmos de optimización multiobjetivo con herramientas de decisión multicriterio en un marco de diseño fundamentado en modelos matemáticos permite identificar y clasificar diseños óptimos no dominados. Estos diseños logran un equilibrio integral entre las dimensiones económica, ambiental y social, y promueven la sostenibilidad del ciclo de vida de la estructura.

Referencias:

RUIZ-VÉLEZ, A.; GARCÍA, J.; PARTSKHALADZE, G.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Enhanced Structural Design of Prestressed Arched Trusses through Multi-Objective Optimization and MCDM. Mathematics, 12(16), 2567. DOI:10.3390/math12162567

RUIZ-VÉLEZ, A.; GARCÍA, J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Enhancing Robustness in Precast Modular Frame Optimization: Integrating NSGA-II, NSGA-III, and RVEA for Sustainable Infrastructure. Mathematics, 12(10):1478. DOI:10.3390/math12101478

RUIZ-VÉLEZ, A.; GARCÍA, J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Sustainable Road Infrastructure Decision-Making: Custom NSGA-II with Repair Operators for Multi-objective Optimization. Mathematics, 12(5):730. DOI:10.3390/math12050730

RUIZ-VÉLEZ, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). A parametric study of optimum road modular hinged frames by hybrid metaheuristics. Materials, 16(3):931. DOI:10.3390/ma16030931

RUIZ-VÉLEZ, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Optimal design of sustainable reinforced concrete precast hinged frames. Materials, 16(1):204. DOI:10.3390/ma16010204

RUIZ-VÉLEZ, A.; ALCALÁ, J.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Perspectiva social de un marco modular óptimo: Análisis integral del ciclo de vida. Revista CIATEC-UPF, 15(1):1-19. DOI:10.5335/ciatec.v15i1.14974

RUIZ-VÉLEZ, A.; ALCALÁ, J.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2022). Optimización de marcos articulados prefabricados de hormigón armado mediante recocido simulado. Revista CIATEC-UPF, 14(3):41-55. DOI:10.5335/ciatec.v14i3.14079

Modelo para la construcción sostenible: reducción de emisiones y eficiencia estructural hacia 2100

Un artículo reciente en Sustainable Cities and Society revista del primer decil del JCR, explora un innovador modelo de evaluación de la sostenibilidad en la industria de la construcción, con aplicaciones de gran impacto a nivel global.

Esta investigación, llevada a cabo por un equipo de expertos de la Universidad de Ciencia e Ingeniería de Hunan (China) y de la Universitat Politècnica de València (España), introduce el «modelo de acoplamiento multidisciplinar», una metodología que integra conocimientos avanzados de matemáticas, ingeniería, ciencias ambientales y sociología económica para analizar, de manera más precisa, los efectos de la construcción sobre la sostenibilidad a largo plazo. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Objetivos y contexto de la investigación

El trabajo parte de un desafío global urgente: reducir las emisiones de carbono en la industria de la construcción, que representa un porcentaje significativo del consumo energético y de las emisiones contaminantes a nivel mundial. Según estimaciones previas, esta industria generará más del 50 % de las emisiones de carbono para 2050 si no se implementan políticas de mitigación eficaces. En este contexto, el equipo de investigación plantea un enfoque innovador para analizar el ciclo de vida completo de las construcciones, desde la selección de materiales y el diseño, hasta la construcción, el mantenimiento y el desmantelamiento, conocido como evaluación del ciclo de vida (LCA, por sus siglas en inglés).

Además, para obtener una visión integrada que abarque el impacto ambiental, social y económico de cada proyecto, se emplea la evaluación social del ciclo de vida (SIA), que permite analizar los efectos en la sociedad y en la economía. El objetivo principal de la investigación es ofrecer un marco más robusto que ayude a los gobiernos y a las empresas del sector a tomar decisiones informadas que favorezcan el desarrollo urbano sostenible.

Metodología y desarrollo del modelo

Para desarrollar este modelo, los investigadores implementaron una técnica de «acoplamiento multidisciplinar» novedosa que incorpora algoritmos avanzados y teorías de optimización de estructuras en tres dimensiones. Este enfoque se basa en el uso de algoritmos de interpolación y ajuste de datos, capaces de proyectar los impactos de la construcción de manera más precisa. Además, el modelo emplea herramientas de software de análisis ambiental, como OpenLCA, que permite integrar datos económicos y medioambientales para evaluar la sostenibilidad.

El equipo realizó pruebas del modelo en cuatro regiones económicas clave de China: las provincias de Hubei, Jiangsu, Henan y Guangdong, seleccionando puentes de gran escala en cada una como ejemplos de estudio. A través de análisis finitos y optimización de topología de estas estructuras, lograron proyectar cómo variará el impacto ambiental y social a lo largo de los próximos cien años.

Resultados más destacados y proyecciones futuras

Los resultados obtenidos indican que la industria de la construcción en China alcanzará su máximo de emisiones en el año 2030, con un estimado de 2,73 giga toneladas (GT) de CO₂. Tras este pico, se proyecta una significativa reducción de las emisiones, con niveles de -2,78 GT anuales entre 2061 y 2098, debido a la implementación de técnicas de construcción más eficientes y al uso de materiales más sostenibles. A nivel social, la evaluación SIA prevé un pico de impacto en 2048, con 4,26 GT de CO₂ equivalente en afectaciones sociales, seguido también de una reducción en las décadas posteriores.

Para obtener estas cifras, el estudio utilizó un algoritmo de optimización de la estructura en las distintas fases del ciclo de vida, con el que identificó puntos de mejora y áreas críticas de impacto. Así, el modelo no solo ofrece una herramienta para la proyección de emisiones, sino que también permite evaluar el desempeño de cada estructura en términos de durabilidad, coste y adaptabilidad a cambios estructurales, lo cual podría ser crucial en regiones urbanas que experimentan un crecimiento acelerado.

Conclusiones y aplicación global

Este trabajo es una contribución pionera en la investigación sobre sostenibilidad en construcción, ya que ofrece un marco metodológico con potencial para ser replicado en otros países y sectores de la construcción. Su aplicación no solo está dirigida a la reducción de emisiones, sino también a la mejora de la resiliencia estructural y a la reducción de costes a largo plazo mediante un diseño optimizado. Los investigadores destacan que este modelo podría adaptarse a otros países que, como China, se enfrentan a grandes desafíos en la gestión de la sostenibilidad urbana y que buscan avanzar hacia economías bajas en carbono.

En conclusión, el modelo de acoplamiento multidisciplinar de esta investigación establece un estándar robusto para el análisis de sostenibilidad en construcciones complejas. Con este enfoque, gobiernos y empresas de construcción podrían optimizar sus prácticas para reducir los impactos negativos, no solo ambientales, sino también sociales y económicos, en sintonía con las metas de desarrollo sostenible. Este estudio ofrece, además, una guía para que la industria de la construcción pueda abordar sus desafíos actuales y proyectar una trayectoria sostenible para las próximas décadas.

Referencia:

ZHOU, Z.; ZHOU, J.; ZHANG, B.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). The centennial sustainable assessment of regional construction industry under the multidisciplinary coupling model. Sustainable Cities and Society, 101:105201. DOI:10.1016/j.scs.2024.105201

Coste del ciclo de vida de las baterías de NiZn mediante Optimización Multiobjetivo por Enjambre de Partículas

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability, revista indexada en el JCR. El artículo de investigación se centra en la optimización de las funciones de coste del ciclo de vida (LCC) e impacto ambiental (LCA) de las baterías de níquel-zinc (NiZn) mediante el algoritmo de optimización por enjambres de partículas multiobjetivo (MOPSO). El proceso de optimización se centra en las fases de adquisición de materias primas y de fin de vida útil de las baterías de NiZn para mejorar sus indicadores clave de rendimiento (KPI) de sostenibilidad. La metodología, implementada en MATLAB, utiliza un modelo de formulación de LCC y LCA ambiental, e incorpora datos de la base de datos Ecoinvent, el software OpenLCA y otras bases de datos públicas. Los resultados obtenidos gracias a la optimización proporcionan información sobre las combinaciones de países más eficaces para obtener materias primas para la producción de baterías de NiZn y gestionar los residuos de las baterías que no se pueden reciclar. Los KPI de sostenibilidad, como el impacto del calentamiento global y los costes de capital, se vinculan automáticamente a los resultados, lo que garantiza su reproducibilidad en caso de actualizaciones de datos o cambios en las ubicaciones de producción y reciclaje establecidas inicialmente en París (Francia) y Krefeld (Alemania). El proceso de validación implica un análisis de sensibilidad para garantizar la solidez de los parámetros matemáticos y tener en cuenta las futuras variaciones del mercado, junto con el uso del proceso jerárquico analítico (AHP) para validar los resultados con interacciones humanas. En el futuro, se sugiere incluir las fases de fabricación y uso en el modelo de optimización para mejorar aún más la sostenibilidad y la eficiencia de las baterías de NiZn.

Como conclusiones más importantes de este trabajo, se pueden señalar las siguientes:

El estudio optimizó el ciclo de vida, el impacto ambiental y el costr de las baterías de NiZn, utilizando los datos más recientes disponibles de los principales productores y centros de tratamiento de residuos.
La optimización por enjambres de partículas multiobjetivo (MOPSO) se consideró más adecuada que el algoritmo genético (GA) para la optimización multiobjetivo, debido a su eficiencia y eficacia.
El análisis tuvo en cuenta 14 flujos de materiales, una línea de eliminación de residuos y varias ubicaciones del mundo con diferentes costes e impactos ambientales, lo que puso de relieve la complejidad del proceso de optimización.
Mediante el MOPSO, se identificaron las ubicaciones óptimas de los proveedores de materias primas con un coste e impacto medioambiental mínimos, así como las ubicaciones de eliminación de residuos de materiales no reciclables.
Se recomendaron países proveedores óptimos específicos para los diferentes materiales, haciendo hincapié en la importancia de tomar decisiones estratégicas de abastecimiento para reducir el impacto ambiental y los costes.
El modelo de IA demostró su solidez al alinearse con los resultados del proceso jerárquico analítico (AHP) y mostrar su resiliencia a las fluctuaciones del mercado en el análisis de sensibilidad.
El estudio hizo hincapié en la necesidad de contar con módulos de programación dinámicos para estimar los indicadores clave de rendimiento (KPI) de sostenibilidad y validar los resultados de la optimización, especialmente en las fases de adquisición de materias primas y eliminación de residuos.
La validación mediante el AHP reveló similitudes y diferencias entre la IA y los resultados de las encuestas de un panel de expertos, lo que puso de manifiesto la eficacia del modelo de IA en la toma de decisiones estratégicas para el abastecimiento y la gestión de residuos.
El documento concluyó destacando la importancia de incorporar las fases de fabricación y uso en los futuros modelos de optimización para mejorar aún más la sostenibilidad y la eficiencia de las baterías de NiZn.

Abstract:

This study aims to optimize the Environmental Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Cost (LCC) of NiZn batteries using Pareto Optimization (PO) and Multi-objective Particle Swarm Optimization (MOPSO), which combine Pareto optimization and genetic algorithms (GA). The optimization focuses on the raw material acquisition and end-of-life phases of NiZn batteries to improve their sustainability Key Performance Indicators (KPIs). The optimization methodology, programmed in MATLAB, is based on a formulation model of LCC and the environmental LCA, using data from the Ecoinvent database, the OpenLCA software (V1.11.0), and other public databases. Results provide insights about the best combination of countries for acquiring raw materials to manufacture NiZn and for disposing of the waste of NiZn batteries that cannot be recycled. These results were automatically linked to some sustainability KPIs, such as global warming and capital costs, being replicable in case of data updates or changes in production or recycling locations, which were initially considered at Paris (France) and Krefeld (Germany), respectively. These results provided by an AI model were validated by using a sensitivity analysis and the Analytical Hierarchy Process (AHP) through an expert panel. The sensitivity analysis ensures the robustness of mathematical parameters and future variations in the market; on the other hand, the AHP validates the Artificial Intelligence (AI) results with interactions of human factors. Further developments should also consider the manufacturing and use phases in the optimization model.

Keywords:

LCCA; LCA; MOPSO; genetic algorithms; AHP; sustainability KPIs; AI; NiZn batteries

Reference:

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

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Impacto ambiental del ciclo de vida de las baterías de NiZn de la cuna a la tumba

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Energies, revista indexada en el JCR. El artículo analiza los impactos ambientales de las baterías de níquel-zinc utilizando modelos matemáticos basados en las normas ISO y el método ReCiPe 2016. Asimismo, compara los impactos ambientales de las baterías de NiZn con los de otras tecnologías y sugiere formas de reducir su impacto mediante la energía renovable y la tecnología de recuperación ecológica. El documento sigue las normas ISO 14040 e ISO 14044 para la metodología de evaluación del ciclo de vida (LCA) y compara la batería de NiZn con las baterías de plomo-ácido y de iones de litio. También recopila los datos principales del inventario del ciclo de vida (LCI) de una producción a escala piloto en China para la fase inicial, centrándose en el consumo de electricidad y excluyendo determinadas evaluaciones de impacto ambiental. Utiliza el método ReCiPe 2016 para la evaluación del impacto, teniendo en cuenta las categorías de impacto intermedio y final, como el potencial de calentamiento global y los daños a la salud humana y los ecosistemas. Por último, aplica el software OpenLCA para modelar los impactos e incorpora los métodos de demanda energética acumulada (CED) y ReCiE 2016 con varios indicadores de impacto para realizar un análisis ambiental exhaustivo.

Las contribuciones más relevantes de este trabajo son las siguientes:

Desarrolla modelos matemáticos para estimar los impactos ambientales de las baterías de níquel-zinc durante el ciclo de vida, comparándolos con otras tecnologías de baterías.
Analiza los impactos ambientales de las baterías recargables de níquel-zinc desde el principio hasta la tumba, en consonancia con las normas ISO para el análisis del ciclo de vida.
Excluye las evaluaciones de impacto ambiental relacionadas con la infraestructura y los bienes de capital, y se centra en los impactos de los productos, el transporte y las contribuciones al final de su vida útil.
Proporciona funciones objetivas para optimizar el coste y el impacto medioambiental de las baterías de NiZn, lo que contribuye al objetivo del proyecto LOLABAT de lograr un alto rendimiento, una rentabilidad competitiva y una sostenibilidad.
Recibe financiación del programa de investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea dentro del proyecto LOLABAT, lo que refleja las opiniones de los autores sobre la posible industrialización de las baterías de NiZn en el contexto europeo.

Las conclusiones más importantes del trabajo se pueden resumir de la siguiente forma:

Las baterías de NiZn tienen un impacto ambiental de aproximadamente 14 MJ para la demanda energética acumulada (CED) y de 0,82 kg de CO₂ equivalentes para el potencial de calentamiento global (GWP) por kWh de energía liberada, lo que las sitúa entre las baterías de iones de litio y las de plomo-ácido.
La fase de uso contribuye significativamente al impacto de la energía electromagnética, ya que las baterías de NiZn tienen un menor impacto ambiental en comparación con las baterías de plomo-ácido, pero son similares a las tecnologías de iones de litio.
Las baterías de NiZn tienen un impacto ambiental menor que las baterías de plomo-ácido, con un impacto ligeramente mayor en comparación con las baterías de iones de litio, lo que las convierte en una opción favorable tanto desde el punto de vista económico como medioambiental.
Se espera que las futuras mejoras en los procesos de fabricación y los componentes de las celdas reduzcan la carga medioambiental de las baterías de NiZn y respalden su potencial como solución de almacenamiento de energía más sostenible.

Abstract:

This paper presents a comprehensive and systematic analysis of the environmental impacts (EI) of novel nickel-zinc battery (RNZB) technology, a promising alternative for energy storage applications. The paper develops mathematical models for estimating the life cycle environmental impacts of RNZB from the cradle to the grave based on an extensive literature review and the ISO standards for life cycle costing and life cycle analysis. The paper uses the ReCiPe 2016 life cycle analysis (LCA) method to calculate the EI of RNZB in terms of eighteen Midpoint impact categories and three Endpoint impact categories: damage to human health, ecosystem diversity, and resource availability. The paper also compares the EI of RNZB with those of other battery technologies, such as lead-acid and lithium-ion LFP and NMC. The paper applies the models and compares results with those provided by the software openLCA (version 1.11.0), showing its reliability and concluding that NiZn batteries contribute approximately 14 MJ for CED and 0.82 kg CO₂ eq. for global warming per kWh of released energy. This places them between lithium-ion and lead-acid batteries. This study suggests that NiZn battery technology could benefit from using more renewable energy in end-use applications and adopting green recovery technology to reduce environmental impact. Further developments can use these models as objective functions for heuristic optimization of the EI in the life cycle of RNZB.

Keywords:

Sustainable energy; nickel-zinc battery; life cycle analysis modeling; environmental impacts of battery technologies

Reference:

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, 17:2751. DOI:10.3390/en17112751

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Special Issue: “Multi-objective Optimization and Applications”

Mathematics is a peer-reviewed, open-access journal that provides an advanced forum for studies related to mathematics. It is published semimonthly online by MDPI. The European Society for Fuzzy Logic and Technology (EUSFLAT) and International Society for the Study of Information (IS4SI) are affiliated with Mathematics, and their members receive a discount on article processing charges.

Open Access— free for readers, with article processing charges (APC) paid by authors or their institutions.
High Visibility: indexed within Scopus, SCIE (Web of Science), RePEc, and other databases.
Journal Rank: JCR – Q1 (Mathematics) / CiteScore – Q1 (General Mathematics)
Rapid Publication: manuscripts are peer-reviewed, and a first decision is provided to authors approximately 16.9 days after submission; acceptance to publication is undertaken in 2.6 days (median values for papers published in this journal in the second half of 2023).
Recognition of Reviewers: reviewers who provide timely, thorough peer-review reports receive vouchers entitling them to a discount on the APC of their next publication in any MDPI journal in appreciation of the work done.
Sections: published in 13 topical sections.
Companion journals for Mathematics include: Foundations, AppliedMath, Analytics, International Journal of Topology, Geometry and Logics.

Impact Factor: 2.4 (2022); 5-Year Impact Factor: 2.3 (2022) (First decile JCR journal) JCR – Q1 (Mathematics) / CiteScore – Q1 (General Mathematics)

Special Issue “Multi-objective Optimization and Applications”

A special issue of Mathematics (ISSN 2227-7390). This special issue belongs to the section “Computational and Applied Mathematics.”

Deadline for manuscript submissions: 31 March 2025

Special Issue Editors

Prof. Dr. Víctor Yepes E-Mail Website Guest Editor

Institute of Concrete Science and Technology (ICITECH), Construction Engineering Department, Universitat Politècnica de València, 46022 València, Spain
Interests: multiobjective optimization; structures optimization; lifecycle assessment; social sustainability of infrastructures; reliability-based maintenance optimization; optimization and decision-making under uncertainty
Special Issues, Collections and Topics in MDPI journals

Prof. Dr. Moacir Kripka E-Mail Website Guest Editor

Civil and Environmental Engineering Graduate Program (PPGEng), University of Passo Fundo, Passo Fundo CEP 99052-900, Brazil
Interests: structural analysis; optimization; engineering optimization; linear programming; mathematical programming; heuristics; structural optimization; concrete; combinatorial optimization; structural engineering; multiobjective optimization; reinforced concrete; optimization methods; discrete optimization; optimization theory; optimization software
Special Issues, Collections and Topics in MDPI journals

Dr. José Antonio García E-Mail Website Guest Editor

Escuela de Ingeniería en Construcción, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, Avenida Brasil 2147, Valparaíso 2362804, Chile
Interests: optimization; deep learning; operations research; artificial intelligence applications to industrial problems
Special Issues, Collections and Topics in MDPI journals

Special Issue Information

Dear Colleagues,

Optimization techniques have become frequent in recent decades due to the growing competitiveness brought about by globalization. With the development of new methods and the greater availability of computer resources, applications in the most diverse fields of knowledge have spread from academic banks to the day-to-day running of companies. However, a more realistic approach can be achieved if several objectives are integrated into the process. Thus, an exciting strategy cannot only meet cost requirements, for example, but it also concerns itself with durability, efficiency, reliability, and sustainability. Given that numerous objectives are involved, which are usually in conflict, new strategies are needed, while new and more complete applications are envisioned. In this sense, the Special Issue, “Multi-objective Optimization and Applications,” aims to provide a platform for disseminating knowledge related to multi-objective optimization. Research articles involving efficient and innovative optimization methods and new applications related to diverse areas of expertise are sought, promoting an exchange of new ideas and trends concerning the subject.

Prof. Dr. Víctor Yepes
Prof. Dr. Moacir Kripka
Dr. José Antonio García
Guest Editors

Manuscript Submission Information

Manuscripts should be submitted online at www.mdpi.com by registering and logging in to this website. Once you are registered, click here to go to the submission form. Manuscripts can be submitted until the deadline. All submissions that pass pre-check are peer-reviewed. Accepted papers will be published continuously in the journal (as soon as accepted) and listed together on the special issue website. Research articles, review articles, and short communications are invited. For planned papers, a title and short abstract (about 100 words) can be sent to the Editorial Office for announcement on this website.

Submitted manuscripts should not have been published previously nor be under consideration for publication elsewhere (except conference proceedings papers). All manuscripts are thoroughly refereed through a single-blind peer-review process. A guide for authors and other relevant information for submission of manuscripts is available on the Instructions for Authors page. Mathematics is an international peer-reviewed open-access semimonthly journal published by MDPI.

Please visit the Instructions for Authors page before submitting a manuscript. The Article Processing Charge (APC) for publication in this open-access journal is 2600 CHF (Swiss Francs). Submitted papers should be well formatted and use good English. Authors may use MDPI’s English editing service before publication or during author revisions.

Keywords

multi-objective optimization
optimization methods
optimization applications
innovative methods and algorithms

Published Papers

This special issue is now open for submission.

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Premio para Mehrdad Hadizadeh-Bazaz en el IX Encuentro de Estudiantes de Doctorado

Quisiera felicitar públicamente a nuestro estudiante de doctorado Mehrdad Hadizadeb-Bazaz por su Premio al mejor trabajo en la modalidad de póster otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, dentro del IX Encuentro de Estudiantes de Doctorado. Tengo el honor y el placer de dirigir su tesis doctoral junto con el profesor Ignacio J. Navarro. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal. Es el segundo año consecutivo que Mehrdad consigue este premio.

Hoy en día, debido a los elevados costes de construcción, reparación y mantenimiento de grandes estructuras como los puentes, así como la creciente atención al ciclo de vida sostenible en todas las etapas, desde el diseño hasta el final de su vida útil, es crucial emplear diversos métodos para identificar daños y evaluar su eficacia en diferentes estructuras y condiciones. Esto no solo puede aumentar la vida útil de las estructuras y reducir los costes, sino también minimizar el impacto ambiental y social.

En este estudio, se examina la precisión de diversos métodos de detección de daños, tanto dinámicos como no destructivos, para identificar la magnitud, ubicación y momento en que se produce el daño en la estructura a lo largo de su vida útil. Se evalúa la precisión y posibles variaciones de cada uno de los métodos de detección de daños en distintos entornos, especialmente en ambientes costeros y ambientes agresivos. Además, se realiza una evaluación del desempeño y comparación de diferentes métodos de detección de daños no destructivos, teniendo en cuenta casos de sostenibilidad de diseño y evaluación del ciclo de vida, incluyendo aspectos económicos, ambientales e impactos sociales.

Os dejo el póster completo, para que lo podáis leer.

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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

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Mejora de la robustez en la optimización de estructuras modulares prefabricadas: Integración de NSGA-II, NSGA-III y RVEA para una infraestructura sostenible

Acaban de publicarnos un artículo en Mathematics, revista indexada en el primer decil del JCR. El documento explora el diseño de estructuras modulares prefabricadas sostenibles utilizando la optimización multiobjetivo (MOO) y la toma de decisión multicriterio (MCDM) con algoritmos avanzados como NSGA-II, NSGA-III y RVEA. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El artículo destaca la importancia de integrar la sostenibilidad del ciclo de vida en los proyectos de infraestructura de transporte para estimular la innovación y la colaboración entre las partes interesadas. Además, presenta una estrategia de diseño novedosa que se centra en la optimización del ciclo de vida de los marcos modulares prefabricados de hormigón armado (RCPMF). Por último, amplía la comprensión de la aplicabilidad de los algoritmos avanzados de MOO y las técnicas de MCDM para mejorar el desarrollo sostenible de la infraestructura.

Las conclusiones más importantes de este trabajo son las siguientes:

El estudio evalúa el rendimiento de optimización del ciclo de vida de los algoritmos NSGA-II, NSGA-III y RVEA dentro de una estructura prefabricada tipo marco de diseño coherente para una infraestructura de transporte sostenible.
El NSGA-III se identifica como el algoritmo con mejor rendimiento, lo que demuestra su potencial para facilitar enfoques de diseño sostenibles.
El problema del MCDM se evalúa rigurosamente y se abordan nueve soluciones no dominantes generadas por los algoritmos de optimización, lo que demuestra la eficiencia y la fiabilidad del marco integrado de MOO y MCDM.
Los resultados abogan por un enfoque transformador del desarrollo de infraestructuras, orientado hacia soluciones de ingeniería más avanzadas y sostenibles.

Abstract:

The advancement toward sustainable infrastructure presents complex multi-objective optimization (MOO) challenges. This paper expands the current understanding of design frameworks that balance cost, environmental impacts, social factors, and structural integrity. Integrating MOO with multi-criteria decision-making (MCDM), the study targets enhancements in life cycle sustainability for complex engineering projects using precast modular road frames. Three advanced evolutionary algorithms—NSGA-II, NSGA-III, and RVEA—are optimized and deployed to address sustainability objectives under performance constraints. The efficacy of these algorithms is gauged through a comparative analysis, and a robust MCDM approach is applied to nine non-dominated solutions, employing SAW, FUCA, TOPSIS, PROMETHEE, and VIKOR decision-making techniques. An entropy theory-based method ensures systematic, unbiased criteria weighting, augmenting the framework’s capacity to pinpoint designs, balancing life cycle sustainability. The results reveal that NSGA-III is the algorithm converging towards the most cost-effective solutions, surpassing NSGA-II and RVEA by 21.11% and 10.07%, respectively, while maintaining balanced environmental and social impacts. The RVEA achieves up to 15.94% greater environmental efficiency than its counterparts. The analysis of non-dominated solutions identifies the $A_{4}$ design, utilizing 35 MPa concrete and B500S steel, as the most sustainable alternative across 80% of decision-making algorithms. The ranking correlation coefficients above 0.94 demonstrate consistency among decision-making techniques, underscoring the robustness of the integrated MOO and MCDM framework. The results in this paper expand the understanding of the applicability of novel techniques for enhancing engineering practices and advocate for a comprehensive strategy that employs advanced MOO algorithms and MCDM to enhance sustainable infrastructure development.

Keywords:

Multi-objective optimization; multi-criteria decision-making; NSGA-II; NSGA-III; RVEA; SAW; FUCA; TOPSIS; PROMETHEE; VIKOR

Reference:

Os paso el artículo para su descarga, pues se ha publicado en abierto:

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Los motivos por los que se equivocan estudiantes y profesionales de ingeniería al abordar la resolución de problemas

Resolver problemas en el ámbito universitario o profesional, en áreas tecnológicas, de ingeniería y ciencias, puede plantear una serie de desafíos que pueden conducir a errores. Estos fallos pueden surgir por diversas razones que van desde no comprender el concepto subyacente hasta confiar demasiado en la tecnología.

En un artículo anterior mencioné algunos ejemplos de problemas teóricamente sencillos, pero que marean a nuestros estudiantes. Ahora vamos a analizar detalladamente algunas de estas razones y cómo se relacionan entre sí. También he incluido enlaces a otros artículos del blog donde reflexiono sobre este tipo de cuestiones.

La falta de comprensión del concepto subyacente a un problema es una preocupación fundamental. Esto puede manifestarse de diversas formas, ya sea a través de errores conceptuales, una aplicación incorrecta del concepto o una interpretación errónea del mismo. Esta falta de entendimiento puede empeorar si se carece de experiencia o conocimientos específicos en el campo correspondiente. Cuando un estudiante o profesional se enfrenta a un problema para el que no tiene experiencia previa, puede tener dificultades para aplicar correctamente los principios necesarios para resolverlo.

Los datos son fundamentales para encontrar soluciones, sin embargo, su calidad y disponibilidad pueden ser problemáticos. La falta de datos adecuados, la presencia de información contradictoria o sesgada pueden conducir a conclusiones incorrectas. Asimismo, centrarse excesivamente en utilizar todos los datos disponibles puede distraer de la información realmente importante, al tiempo que validar datos sesgados o inventados puede conducir a conclusiones incorrectas.

El manejo inadecuado de las bases matemáticas también puede ser una fuente de errores (geometría, trigonometría, cálculo o álgebra). Esto puede incluir errores en el cálculo, así como el uso inapropiado de fórmulas o modelos matemáticos. Los problemas reales rara vez tienen una sola solución, lo que requiere habilidades para evaluar y decidir entre múltiples enfoques posibles. Además, el uso excesivo de la memoria en lugar de la comprensión de los principios subyacentes puede conducir a errores conceptuales y de selección de modelos de cálculo.

Los aspectos psicológicos también son importantes. El estrés, la falta de confianza en uno mismo, la presión por terminar a tiempo y la falta de concentración pueden afectar a la capacidad de resolver problemas de manera efectiva. La falta de atención a los detalles, la fatiga y el agotamiento también pueden provocar errores en la resolución de problemas.

Es crucial comprender que los problemas reales pueden ser complejos y no tener necesariamente una solución única. Esto implica la necesidad de tomar decisiones informadas y comprender las limitaciones de los modelos o fórmulas utilizados. Además, la propagación de errores en las operaciones y el uso incorrecto de datos, fórmulas o software pueden dar lugar a resultados erróneos.

La falta de retroalimentación o revisión de los errores cometidos puede perpetuar la repetición de los mismos una y otra vez. La falta de comunicación o colaboración entre profesionales en entornos de trabajo también puede provocar errores en la resolución de problemas. Confiar ciegamente en la tecnología o en herramientas automatizadas sin comprender en profundidad los principios subyacentes puede ser un problema.

En resumen, resolver problemas en el ámbito universitario o profesional de la ingeniería y las ciencias puede ser un proceso complejo y propenso a errores debido a una variedad de factores interrelacionados. Desde la comprensión del concepto hasta la calidad y disponibilidad de los datos, así como los aspectos psicológicos y técnicos relacionados con la resolución de problemas, es crucial abordar estos desafíos con atención y comprensión para lograr soluciones precisas y efectivas. Desde las universidades debe hacerse todo lo posible para superar este tipo de dificultades y conseguir que nuestros estudiantes adquieran las competencias necesarias para su posterior desarrollo profesional.

Sin querer ser exhaustivo, y sin que estén ordenadas por importancia, aquí os dejo una lista de 30 posibles causas por las cuales nuestros estudiantes en los exámenes o los técnicos en su ámbito profesional, suelen cometer errores al resolver los problemas. Estoy convencido de que hay más causas, pero esto puede ser un buen punto de partida para el debate y la reflexión. En el vídeo que he grabado, me extiendo y explico algo más lo que aquí recojo como una simple lista.

La falta de comprensión del concepto subyacente en un problema puede conducir a errores conceptuales al aplicarlo incorrectamente o interpretarlo de manera errónea.
La inexperiencia o la falta de conocimientos específicos pueden surgir cuando una persona afronta por primera vez un tipo de problema, ya sea durante un examen o en la práctica profesional.
Los problemas relacionados con la disponibilidad de datos pueden presentarse de varias formas, como datos insuficientes, necesarios, innecesarios o contradictorios. A menudo, existe una obsesión por utilizar todos los datos disponibles en el enunciado del problema.
La calidad de los datos también es un factor importante, con la posibilidad de incertidumbre o error en los datos disponibles. Además, dar por válidos datos sesgados, interesados o inventados puede llevar a conclusiones incorrectas. Es necesario un control de calidad de los datos.
Intentar resolver un problema utilizando el enfoque típico visto en clase puede marear a nuestros estudiantes. Los alumnos prefieren resolver un problema típico explicado en clase, a ser posible, con datos parecidos.
El manejo inadecuado de las bases matemáticas, que incluye errores en el cálculo, el uso incorrecto de fórmulas o modelos matemáticos, y la falta de comprensión de los principios subyacentes, puede ser una fuente común de errores. La falta de conocimientos básicos de geometría, trigonometría, álgebra o cálculo básicos son, en ocasiones, escollos. A veces hay dificultades en saber dibujar un esquema para resolver el problema.
Los problemas reales generalmente no tienen una sola solución, lo que requiere habilidades para evaluar y decidir entre múltiples enfoques posibles. Esta distinción, que se da claramente entre los estudios de grado y los de máster, es importante tenerla en cuenta.
Los aspectos psicológicos, como el estrés, la falta de confianza en uno mismo, la presión por terminar a tiempo y la falta de concentración, pueden afectar negativamente la capacidad para resolver problemas de manera efectiva.
La falta de atención o interés, así como la fatiga o el agotamiento, pueden contribuir a errores en la resolución de problemas, al igual que la prisa por resolver el problema.
La complejidad de los problemas puede aumentar cuando se trata de situaciones poco comunes o rebuscadas, lo que requiere un enfoque cuidadoso y creativo para su resolución.
Es crucial comprender la diferencia entre una ley general y una fórmula particular al aplicar normas técnicas que pueden estar basadas en hipótesis o casos específicos.
Utilizar modelos de cálculo inadecuados, ya sean demasiado refinados o demasiado simples para los datos disponibles, puede conducir a soluciones incorrectas.
Carecer de números estimativos para prever el resultado final puede resultar en una falta de comprensión del orden de magnitud del resultado. En este sentido, el uso de nomogramas en la docencia facilita la adquisición de este tipo de habilidad en los estudiantes. Los estudiantes y los profesionales deberían tener un conocimiento del “número gordo” y saber predimensionar.
Es importante ser consciente de la propagación de errores en las operaciones, ya que incluso pequeños errores pueden magnificarse y llevar a resultados incorrectos.
Utilizar fórmulas, datos o tablas en un contexto diferente al que dieron origen puede llevar a interpretaciones incorrectas o a soluciones erróneas.
La extrapolación de resultados a límites no contemplados puede conducir a conclusiones incorrectas o poco realistas.
Utilizar fórmulas empíricas con datos expresados en unidades diferentes a las que funcionan puede generar resultados inconsistentes o incorrectos.
La dependencia excesiva de la memoria en lugar de comprender los principios subyacentes puede conducir a errores en la selección de modelos o fórmulas de cálculo.
Errores conceptuales pueden llevar a la selección incorrecta de modelos o fórmulas de cálculo, lo que resulta en soluciones erróneas.
El uso de software defectuoso o poco contrastado, así como la falta de habilidades para calcular manualmente un problema, pueden resultar en resultados incorrectos. A esto se une un uso inapropiado de la inteligencia artificial.
El mal uso de ecuaciones o fórmulas, como cambiar el nombre de una variable sin entender el concepto subyacente, puede conducir a errores en la resolución de problemas.
La falta de competencia o experiencia en una materia determinada puede resultar en una resolución incorrecta del problema.
Repetir la resolución de problemas de un contexto a otro sin pensar en su validez puede conducir a soluciones inapropiadas.
La falta de comprensión del problema, la pregunta o el tipo de resultado esperado puede resultar en soluciones incorrectas debido a la falta de comprensión lectora, capacidad analítica o de síntesis.
La utilización de unidades defectuosas, notaciones o convenciones específicas puede llevar a interpretaciones erróneas o a soluciones incorrectas.
La falta de retroalimentación o revisión de los errores cometidos puede perpetuar la repetición de los mismos errores una y otra vez.
La falta de comunicación o colaboración en entornos de trabajo entre profesionales puede contribuir a errores en la resolución de problemas.
La confianza excesiva en la tecnología o herramientas automatizadas puede llevar a la falta de comprensión de los principios subyacentes y a la comisión de errores.
La falta de revisión o verificación de los cálculos realizados por parte de un tercero independiente puede resultar en soluciones incorrectas.
La falta de conocimiento del contexto del problema, incluyendo las restricciones, puede conducir a soluciones subóptimas o incorrectas.

Os paso un vídeo donde he desarrollado las ideas anteriores, con ejemplos, y he dejado algunas de mis reflexiones al respecto. Espero que os guste.

Os dejo un podcast sobre este tema (en inglés), generado por una IA sobre el vídeo.

Aquí tenéis un mapa conceptual que también os puede ayudar.