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Vigas de acero: 4 claves de las nuevas estructuras que están revolucionando la construcción.

Figura 1. a) caso básico en 3D; b) sección transversal con algunas variables geométricas; c) viga de canto variable con 4 puntos de transición

Acabamos de publicar un artículo en la revista indexada JCR The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2025), que presenta una metodología de optimización metaheurística para minimizar el coste de fabricación de las vigas I de placa de acero soldada. El estudio se centra en el desarrollo de tipologías más eficientes, como las vigas híbridas transversales de sección variable (THVS), que optimizan simultáneamente la geometría y la distribución del material en los planos transversal y longitudinal. La función objetivo tiene en cuenta no solo el coste de los materiales, sino también siete actividades clave de producción (soldadura, corte, pintura, etc.) y los diseños cumplen las especificaciones del Eurocódigo 3. Los principales resultados indican que la optimización del material es más importante para las vigas de tramos cortos, mientras que la optimización geométrica lo es más para las vigas de tramos largos. En última instancia, el artículo valida el enfoque propuesto mediante un caso de estudio, que demuestra que los elementos THVS pueden reducir los costes hasta en un 70 % en comparación con los diseños tradicionales.

La investigación se enmarca en el proyecto RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. A continuación, se presenta un resumen del trabajo y de la información de contexto.

Como futuro profesional, ¿te has preguntado alguna vez si los perfiles de acero que eliges son realmente la mejor opción? En el diseño estructural, es habitual utilizar perfiles estándar (como los «IPE») por su simplicidad y disponibilidad. Aunque son prácticos, estos perfiles de sección constante a menudo resultan ineficientes, ya que utilizan más material del necesario y generan mayores costes.

El sector de la construcción se enfrenta a una encrucijada: la necesidad de crear estructuras eficientes y la obligación de reducir su enorme consumo de recursos. En este dilema, las vigas de acero son un elemento fundamental. Pero ¿son los diseños tradicionales la opción más eficiente o existen alternativas mejores? Un estudio reciente revela hallazgos sorprendentes que desafían las convenciones del diseño estructural. La respuesta se encuentra en cuatro claves contrarias a la lógica que demuestran cómo optimizar de forma inteligente el material y la geometría puede reducir los costes de fabricación hasta en un 70 %.

1. Material frente a la geometría: la regla inesperada que depende de la distancia.

El primer descubrimiento clave del estudio es que la estrategia óptima para reducir costes depende fundamentalmente de la longitud de la viga (vano). Este hallazgo desafía el enfoque de «talla única» y da lugar a dos conclusiones interesantes:

  • Para vigas cortas (por ejemplo, de 6 metros, una medida habitual en edificios), la optimización del material resulta más eficaz. El uso de aceros de diferentes resistencias para las alas y el alma permite obtener mayores ahorros que con la modificación de la geometría.
  • En el caso de las vigas largas (por ejemplo, de 14 o 20 metros, comunes en puentes), la optimización geométrica se convierte en el factor dominante. La estrategia más decisiva para el ahorro es crear vigas de sección variable.

 

El principio de ingeniería subyacente es el momento flector. En las vigas largas, la diferencia de esfuerzos entre el centro (donde el momento es máximo) y los apoyos (donde el momento es nulo) es considerable. Adaptar el canto de la viga a esta variación permite ahorrar material de manera significativa en las zonas donde no es necesario. En las vigas cortas, el momento flector es más uniforme, por lo que el ahorro de material al variar la geometría es mínimo y no compensa el coste adicional de fabricación (cortes y soldaduras complejas).

2. La campeona del ahorro: la viga híbrida de sección variable (THVS).

La solución más rentable identificada en el estudio es la viga «híbrida transversal con sección variable» (THVS). Este diseño combina de forma inteligente las dos estrategias de optimización:

  1. Estructura híbrida: utiliza acero de alta resistencia para las alas, que, al estar más alejadas del eje neutro, soportan la mayor parte de las tensiones de flexión. Para el alma, que se encarga principalmente de los esfuerzos cortantes, se emplea un acero más económico y de menor resistencia.
  2. Geometría variable: su altura no es constante, sino que se adapta a la distribución de esfuerzos. Es más alta cerca del centro, donde el momento flector es máximo, y disminuye hacia los apoyos.

El dato más impactante del estudio es que los elementos THVS pueden reducir los costes de fabricación hasta un 70 % en comparación con los diseños tradicionales de vigas de acero de canto constante.

3. El coste real no es solo el peso: una mirada a la fabricación.

Uno de los puntos fuertes de la investigación es que se centra en el coste total de fabricación, en lugar de limitarse al peso o al coste del material. El estudio incluyó siete actividades clave de producción en su modelo de costes:

  • Montaje en obra/Izado.
  • Pintura.
  • Soldadura.
  • Granallado.
  • Corte.
  • Aserrado.
  • Transporte.

Este enfoque holístico es crucial, ya que alinea el diseño estructural con la realidad de la producción industrial. Es precisamente este análisis de costes integral el que permite al estudio concluir que, en el caso de las vigas largas, el ahorro de material de una viga THVS compensa con creces la mayor complejidad de fabricación, algo que no revelaría un análisis de peso sencillo.

4. De la teoría a la práctica: una metodología para el diseño.

La investigación no se limita a la teoría, sino que ofrece una metodología de diseño con directrices aplicables para que los ingenieros puedan implementar estas soluciones. El estudio establece parámetros prácticos sobre:

  • Relaciones óptimas entre el canto y la luz de la viga.
  • Ángulos de achaflanado ideales.
  • Posiciones óptimas para las transiciones de sección.
  • Combinaciones de tipos de acero recomendadas.

Conscientes de que la innovación teórica debe enfrentarse a la realidad industrial, los propios autores moderan el optimismo mediante una evaluación pragmática de los próximos pasos.

«Los elementos THVS pueden reducir los costes hasta en un 70 % en comparación con los diseños tradicionales. No obstante, para aprovechar plenamente el potencial de estos diseños, deben abordarse los desafíos relacionados con la disponibilidad de materiales, la complejidad de la fabricación y los riesgos de pandeo local».

Conclusión: ¿Estamos listos para construir de forma diferente?

La idea central es clara: optimizar simultáneamente la geometría y el material de las vigas de acero, especialmente en los diseños THVS, permite ahorrar recursos y dinero de forma sin precedentes. Esta investigación establece una base teórica y una metodología de diseño que abren la puerta a una nueva era de eficiencia estructural. Con ahorros potenciales de hasta el 70 % demostrados, la pregunta para la industria no es si merece la pena, sino cómo superar los desafíos de fabricación, la disponibilidad de materiales y la actualización de normativas para convertir este potencial en una nueva realidad constructiva.

En este vídeo, se resumen las ideas fundamentales de este artículo, explicadas de forma sencilla.

Referencia:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Manufacturing cost optimization of welded steel plate I-girders integrating hybrid construction and tapered geometry. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 140, 1601-1624. DOI:10.1007/s00170-025-16365-2

Os dejo el artículo completo para su descarga, ya que está publicado en abierto.

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5 ideas reveladoras sobre la vida secreta de nuestros edificios y puentes (y por qué debería importarte).

Colapso de una torre de viviendas en Ronan Point (Reino Unido). By Derek Voller, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=59931718

Cada día cruzamos puentes y entramos en edificios con una confianza casi absoluta en su solidez. Damos por hecho que el hormigón y el acero que nos rodean son permanentes. Sin embargo, la realidad es que estas estructuras, al igual que cualquier otra cosa, envejecen, se desgastan y están expuestas a amenazas constantes. Esta degradación no es un problema lejano, sino una realidad silenciosa que ya está aquí. Se trata, como ya he comentado algunas veces, de una verdadera «crisis de las infraestructuras». De eso nos estamos ocupando en el proyecto de investigación RESIFIFE, del cual soy investigador principal.

Para comprender la magnitud del desafío, basta con echar un vistazo a las cifras. Según el informe de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) de 2021, casi el 42 % de todos los puentes de Estados Unidos tienen más de 50 años y un preocupante 7,5 % se consideran «estructuralmente deficientes». A nivel mundial, el panorama es igualmente preocupante. El Foro Económico Mundial estima que la brecha de inversión en infraestructuras podría alcanzar los 18 billones de dólares para el año 2040.

No se trata solo de un problema para ingenieros y gobiernos. Afecta a nuestra seguridad, a nuestra economía y a nuestro futuro. Por eso, hemos recopilado la investigación más reciente para compartir cinco de las ideas más reveladoras que los expertos están debatiendo sobre la gestión del ciclo de vida de nuestra infraestructura.

Los dos «enemigos» al que se enfrentan nuestras estructuras

La degradación de un edificio o un puente no es un proceso único. Para los ingenieros, el primer paso es siempre realizar un diagnóstico correcto. En este caso, hay dos tipos muy diferentes:

  • La degradación progresiva: piense en ella como un desgaste lento y constante. Se trata del «deterioro ambiental», por ejemplo, la corrosión del acero causada por la sal en el aire o la fatiga del material tras soportar cargas durante décadas. Es un enemigo paciente que debilita la estructura poco a poco a lo largo de toda su vida útil.
  • La degradación instantánea: son los impactos repentinos y violentos. Se trata de «eventos extremos», como terremotos, inundaciones o incluso desastres provocados por el ser humano. A diferencia de la degradación progresiva, un solo evento de este tipo puede reducir drásticamente el rendimiento de una estructura en cuestión de minutos.

Comprender esta diferencia es crucial, ya que no se puede utilizar la misma estrategia para reparar una grieta por fatiga que para recuperar una estructura después de un terremoto.

La caja de herramientas de los ingenieros: mantenimiento frente a reparación

Frente a estos dos enemigos, la ingeniería no lucha con las manos vacías. Cuenta con una caja de herramientas específica para cada amenaza, con dos categorías principales de soluciones o «mecanismos de intervención».

  • Mantenimiento: son acciones planificadas para combatir la degradación progresiva. Piense en ellas como la medicina preventiva. Estas «intervenciones preventivas o esenciales» incluyen tareas como reparar grietas, aplicar una nueva capa de pintura protectora o reemplazar componentes estructurales antes de que fallen. El objetivo es frenar el desgaste natural.
  • Reparación: son las acciones que se llevan a cabo en respuesta a la degradación instantánea. Pueden ser «preventivas», como reforzar una estructura (retrofit) para que resista mejor un futuro terremoto, o «correctivas», como las labores de recuperación para devolver la funcionalidad lo antes posible.

Este enfoque de «ciclo de vida» supone un cambio fundamental. En lugar de esperar a que algo se rompa para repararlo, los ingenieros modernos planifican, predicen e intervienen a lo largo de toda la vida útil de la estructura para garantizar su rendimiento a largo plazo.

Más allá de la seguridad: las cuatro formas de medir el «éxito» de una estructura

Es aquí donde el campo se ha vuelto realmente fascinante. La forma de evaluar el «éxito» de una estructura ha evolucionado desde una pregunta sencilla de «¿se ha caído o no?» basta un cuadro de mando sofisticado con cuatro indicadores clave. Para entenderlo mejor, podemos pensar en cómo se evalúa a un atleta profesional:

  • Fiabilidad (reliability): esta es la base. ¿Puede el atleta aguantar el esfuerzo de un partido sin lesionarse? Mide la probabilidad de que una estructura no falle en las condiciones para las que fue diseñada.
  • Riesgo (risk): este indicador va un paso más allá. Si el atleta se lesiona, ¿qué consecuencias tiene para el equipo? ¿Se pierde un partido clave o la final del campeonato? El riesgo tiene en cuenta las consecuencias de un fallo: sociales, económicas y medioambientales.
  • Resiliencia (resilience): este es un concepto más nuevo y crucial. En caso de lesión, ¿cuánto tiempo tardará el atleta en recuperarse y volver a jugar al máximo nivel? Mide la capacidad de una estructura para prepararse, adaptarse y, sobre todo, recuperarse de manera rápida y eficiente tras un evento extremo.
  • Sostenibilidad (sustainability): esta es la visión a largo plazo. ¿Está el atleta gestionando su carrera para poder jugar durante muchos años o se quemará en dos temporadas? La sostenibilidad integra los aspectos sociales, económicos y medioambientales para garantizar que las decisiones de hoy no afecten a las generaciones futuras.

Este cambio de enfoque para evaluar las consecuencias supone una revolución en el campo. Los expertos señalan un cambio de mentalidad fundamental: ya no basta con medir el rendimiento en términos técnicos. Ahora se centran en las consecuencias en el mundo real (sociales, económicas y ambientales), ya que estas ofrecen una visión mucho más fiel y significativa de lo que realmente está en juego.

 

La carrera contra el tiempo: por qué este campo está investigando ahora

El interés por modelar y gestionar el ciclo de vida de las estructuras no es solo una curiosidad académica, sino una respuesta directa a una necesidad global cada vez más acuciante. Un análisis de la investigación científica en este campo revela una clara «tendencia ascendente».

El número de artículos publicados sobre este tema ha crecido constantemente, pero se observa un «incremento importante» a partir de 2015. Este auge de la investigación no es académico, sino una respuesta directa a las alarmantes cifras que vimos al principio. La comunidad mundial de ingenieros está en una carrera contra el tiempo para evitar que ese déficit de 18 billones (18·1012) de dólares se traduzca en fallos catastróficos.

El futuro es inteligente: De la reparación a la predicción

Para gestionar esta complejidad, la ingeniería está recurriendo a herramientas cada vez más avanzadas que van más allá del cálculo tradicional. El objetivo es pasar de un enfoque reactivo a otro predictivo y optimizado. Es como pasar de ir al médico solo cuando tienes un dolor insoportable a llevar un reloj inteligente que monitoriza tu salud las 24 horas del día y te avisa de un problema antes incluso de que lo notes.

Entre las metodologías más destacadas se encuentran:

  • Optimización: algoritmos que ayudan a decidir cuál es la mejor estrategia de mantenimiento (cuándo, dónde y cómo intervenir) para obtener el máximo beneficio con recursos limitados.
  • Modelos de Markov: herramientas estadísticas que funcionan como un pronóstico del tiempo para las estructuras, ya que predicen su estado futuro basándose en su condición actual.
  • Inteligencia artificial (IA), aprendizaje automático y aprendizaje profundo: estas tecnologías permiten analizar grandes cantidades de datos (de sensores, inspecciones, etc.) para predecir fallos, identificar patrones invisibles al ojo humano y optimizar la gestión del ciclo de vida a una escala nunca antes vista.

Este cambio de paradigma significa que, en el futuro, las decisiones sobre cuándo reparar un puente o reforzar un edificio se tomarán con la ayuda de datos y algoritmos complejos que pueden prever el futuro de la estructura.

Conclusión: pensar en el mañana, hoy

Gestionar la salud de nuestra infraestructura es un desafío continuo, complejo y vital. Ya no basta con construir estructuras impresionantes; es fundamental adoptar una mentalidad de «ciclo de vida» que nos obligue a evaluar, intervenir y planificar constantemente pensando en el futuro. Solo así podremos garantizar que los edificios y puentes que usamos cada día no solo sean fiables, sino también resilientes ante los imprevistos y sostenibles para las próximas generaciones.

La próxima vez que cruces un puente, no pienses solo en dónde te lleva. Pregúntate cuál es su historia invisible en su lucha contra el paso del tiempo y si, como sociedad, estamos invirtiendo no solo para construir, sino también para perdurar.

Os dejo un vídeo que os puede servir de guía.

Referencias:

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Puentes ferroviarios de acero a finales del siglo XIX

En las últimas décadas del siglo XIX, el desarrollo de los puentes ferroviarios de acero se convirtió en uno de los pilares fundamentales de la ingeniería civil moderna. Esta evolución estuvo estrechamente relacionada con la necesidad de estructuras capaces de soportar trenes más pesados y mayores luces, y a la vez fue catalizadora de avances decisivos en la producción y uso estructural del acero. Desde los primeros arcos hasta las grandes estructuras continuas en voladizo, los puentes de acero no solo respondieron a una necesidad funcional, sino que impulsaron la transformación de la tecnología de construcción a escala global.

El puente Eads: origen del acero en la ingeniería ferroviaria

Puente Eads. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_Eads

El primer uso del acero en un puente se produjo en 1828, durante la construcción de un puente colgante en Viena (Austria), en el que se incorporaron cadenas de suspensión de acero fabricadas mediante el proceso de horno de solera abierta. El primer empleo del acero en un puente ferroviario se produjo en la construcción del puente de St. Louis, posteriormente conocido como puente Eads, entre 1869 y 1874. Este puente, que cruza el río Misisipi en Misuri, constaba de dos vanos laterales de 152 m y un vano central de 158,5 m, y supuso un hito técnico sin precedentes. Diseñado por James B. Eads, incorporó por primera vez miembros tubulares huecos en los cordones de las armaduras y empleó el método de cajones neumáticos para cimentaciones profundas, algo revolucionario para la época. Este método de construcción de pilas también fue utilizado por Brunel en la construcción del puente Royal Albert en Saltash (Reino Unido) en 1859. Thomas Telford había propuesto este método en 1800 para un puente de hierro fundido que cruzaría el río Támesis en Londres, y Robert Stephenson lo utilizó en 1846 para construir un puente ferroviario de arco de hierro para evitar el uso de cimbra en el concurrido canal del estrecho de Menai. Eads utilizó principios desarrollados por Galileo en el siglo XVII para explicar a los escépticos los fundamentos de la construcción en voladizo de arcos. Eads no tenía una formación académica en ingeniería, pero contó con la ayuda de Charles Pfeiffer para el diseño y de Theodore Cooper para la construcción.

Eads rechazó el uso del puente colgante —considerado demasiado flexible para cargas ferroviarias— y propuso en su lugar un puente de arcos de hierro fundido, sobre los cuales se dispuso una armadura adicional que aumentaba la rigidez del tablero ferroviario. En 1864, John Roebling propuso un puente colgante para este emplazamiento. La estructura generó tanto escepticismo público y mediático que, antes de su apertura, Eads realizó pruebas de carga con catorce de las locomotoras más pesadas disponibles en el país. La magnitud del proyecto fue tan grande que prácticamente agotó los recursos de la incipiente industria siderúrgica estadounidense.

Expansión de la industria del acero y el papel del ferrocarril

La demanda de puentes con mayores luces por parte de los ferrocarriles norteamericanos, junto con el aumento constante del peso de locomotoras y vagones, impulsó el crecimiento de la industria del acero. Figuras como Andrew Carnegie invirtieron decididamente en mejorar los procesos de producción del acero para conseguir materiales con mayor resistencia y ductilidad. Este impulso dio lugar, en 1879, a la construcción del primer puente ferroviario íntegramente de acero, con celosías tipo Whipple, por parte de la Chicago and Alton Railway en Glasgow, Misuri.

La transición del puente colgante al sistema en voladizos

Aunque algunos ingenieros estadounidenses siguieron diseñando puentes ferroviarios colgantes, la preocupación por su flexibilidad frente a cargas dinámicas y viento persistía. Aun así, el famoso puente de Brooklyn, finalizado en 1883, incluía dos líneas ferroviarias. Sin embargo, el aumento de la masa de las locomotoras y la necesidad de una mayor rigidez estructural provocaron el declive de los puentes colgantes como solución ferroviaria.

La solución técnica más eficaz se encontró en el diseño cantilever, o de avance en voladizo, que permitía construir grandes luces sin cimbra y con suficiente rigidez para cargas dinámicas. El primer puente ferroviario cantilever (también llamado tipo Gerber) construido en Estados Unidos fue el de la Cincinnati Southern Railway sobre el río Kentucky en 1877. En 1883, la Michigan Central and Canada South Railway completó un puente cantiléver de viga de tablero superior sobre el desfiladero del Niágara, paralelo al puente colgante ferroviario de Roebling de 1854. Poco después, en 1884, la Canadian Pacific Railway cruzó el río Fraser, en Columbia Británica, con el primer puente cantilever de acero completamente equilibrado de tablero superior.

Estas estructuras, con brazos en voladizo y tramos suspendidos, se convirtieron en la solución habitual para grandes luces, ya que permitían un diseño estáticamente determinado, rigidez adecuada frente a cargas móviles y la eliminación de la cimbra en el vano principal.

El impulso de Theodore Cooper y la estandarización del acero

En 1880, el ingeniero Theodore Cooper publicó un influyente artículo titulado The Use of Steel for Railway Bridges ante la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE), en el que promovía el uso exclusivo del acero para puentes ferroviarios. A raíz de ello, casi todos los puentes ferroviarios estadounidenses posteriores se construyeron con acero, y hacia 1895 este material también se utilizaba en otras tipologías de puentes. Para entonces, la producción de perfiles estructurales de acero para puentes ya estaba plenamente desarrollada en el país. Para 1895, las formas estructurales ya no se fabricaban en hierro, sino que se utilizaba acero de manera exclusiva.

El puente de Forth: el cantiléver monumental europeo

Puente de Forth. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Forth

En el Reino Unido, el gobierno levantó la prohibición del uso del acero en puentes ferroviarios en 1877. Una década más tarde, el ingeniero Benjamin Baker, tras estudiar numerosos puentes cantiléver estadounidenses —especialmente los de la Canadian Pacific Railway—, propuso un diseño para el puente sobre el estuario del Forth, en Escocia. Antes de esto, Baker quizá no conocía el trabajo de los ingenieros C. Shaler Smith o C. C. Schneider, quienes ya habían diseñado y construido puentes ferroviarios en voladizo en Estados Unidos. El puente de Forth, completado en 1890, se convirtió en un hito de la ingeniería europea: un gigantesco puente cantiléver de acero con brazos de 207 m y un vano suspendido de 107 m.

Pese a las dudas de algunos ingenieros respecto a la fiabilidad del acero Bessemer por su posible fragilidad, Baker lo empleó en el proyecto. La estructura demostró una rigidez excepcional: la deflexión máxima medida con locomotoras pesadas fue de solo 90 mm, muy cerca del valor teórico previsto de 100 mm. También se sometió a pruebas con dos trenes de carbón largos y pesados en condiciones de viento extremas, con una deflexión inferior a 180 mm.

El puente de Quebec: tragedia, rediseño y récord mundial

Puente de Quebec. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Quebec

La siguiente gran estructura cantiléver fue el puente de Quebec, sobre el río San Lorenzo. Con un vano central de 549 m, aún es en la actualidad el puente cantiléver de mayor luz del mundo. Sin embargo, su construcción estuvo marcada por dos catastróficos fallos: en 1907, un error en el cálculo de las tensiones de compresión durante la fase de voladizo provocó el colapso de la estructura. En la reconstrucción se utilizó acero con níquel como nuevo material. No obstante, en 1916, el vano suspendido cayó al ser izado. Finalmente, el puente se terminó y se abrió al tráfico ferroviario en 1917. Los proyectistas originales fueron Theodore Cooper y Peter Szlapka, de la empresa Phoenixville Bridge Company. Tras el colapso, H. E. Vautelet presentó un nuevo diseño, pero la remodelación del puente se licitó entre varias empresas constructoras y fue ejecutada por G. H. Duggan (St. Lawrence Bridge Company) bajo la dirección de C. C. Schneider, R. Modjeski y C. N. Monsarrat. El acero aleado con níquel se utilizó por primera vez en 1909 en el puente de Blackwell’s Island (hoy Queensboro), en Nueva York. El acero con níquel también fue empleado extensamente por J. A. L. Waddell en diseños de puentes ferroviarios de grandes luces. A. N. Talbot realizó ensayos de conexiones de acero con níquel para la reconstrucción del puente de Quebec.

Puentes de tramo continuo: una opción limitada en América

Mientras que en Europa los puentes de tramo continuo se hicieron más frecuentes, en América del Norte se evitaban por su carácter estáticamente indeterminado. Una excepción fue el puente ferroviario de la Canadian Pacific Railway en Montreal, construido en 1886 con tramos principales de 124,5 m. Se utilizó un método cantiléver para su construcción, controlando cuidadosamente las deformaciones en los cordones inferiores mediante tensores y tornillos ajustables. Estos vanos fueron reemplazados en 1912 debido a las preocupaciones sobre su comportamiento bajo cargas ferroviarias más pesadas. El extremo principal de las cerchas de reemplazo del vano simple se apoyó mediante cimbras sobre una barcaza móvil durante su instalación en un trazado adyacente.

El primer gran puente ferroviario de acero de Francia fue el Viaducto del Viaur, que se construyó en 1898. Este puente de arco en celosía tipo cantilever es inusual, ya que no tiene un vano suspendido, por lo que la estructura es estáticamente indeterminada. Muchos ingenieros consideran que el diseño no era apropiado para cargas ferroviarias.

Viaducto del Viaur. https://es.wikipedia.org/wiki/Viaducto_del_Viaur

La consolidación de nuevas técnicas: roblonado y acero de alto carbono

A principios del siglo XX, muchas estructuras de hierro y acero fueron sustituidas debido al aumento de peso de las locomotoras. El peso típico de las locomotoras era de aproximadamente 40 t en 1860, 70 t en 1880, 100 t en 1890, 125 t en 1900 y 150 t en 1910. Aunque el roblonado era común en Europa, en Estados Unidos no se estandarizó en puentes de gran luz hasta alrededor de 1915. El roblonado se utilizaba en vanos de menor luz a principios del siglo XX.

Uno de los primeros ejemplos destacados fue el Hell Gate Bridge en Nueva York, una estructura de arco de acero de 298 m completada en 1916 para soportar cuatro vías ferroviarias. Fue erigido sin cimbra y empleó por primera vez acero con alto contenido en carbono, principalmente, debido al alto coste del acero aleado.

Ese mismo año, la Chesapeake & Ohio Railroad terminó el puente de Sciotoville, en Ohio, con dos tramos continuos de 236,5 m, el más largo de su tipo hasta hoy.

Puente de Sciotoville. https://en.wikipedia.org/wiki/Sciotoville_Bridge

Un legado de 80.000 puentes

En 1910 se estimaba que había unos 80 000 puentes de hierro y acero en Estados Unidos, que sumaban un total de 2250 kilómetros sobre una red de 300 000 km de vías. La mayoría de los puentes eran de construcción de acero a principios del siglo XX. El ferrocarril, en su rápida expansión tras la Guerra Civil, se convirtió en el principal motor de innovación estructural, propiciando el paso de la madera y la mampostería al hierro y, finalmente, al acero.

El desarrollo de procesos como el Bessemer (1856) y el horno Siemens-Martin (1867) permitió la producción económica del acero. Así, los puentes ferroviarios de acero se convirtieron en una respuesta ingenieril al desafío logístico de la era industrial, marcando el inicio de la ingeniería estructural moderna.

 

Jules Arthur Vierendeel: trayectoria, contribuciones y legado en la ingeniería estructural

Jules Arthur Vierendeel (1852-1940). https://www.flickr.com/

Jules Arthur Vierendeel (Lovaina, Bélgica, 10 de abril de 1852 – Uccle, Bélgica, 8 de noviembre de 1940) fue un ingeniero civil belga cuya innovación en el diseño estructural, la viga reticulada sin diagonales que lleva su nombre, marcó un punto de inflexión en la teoría de estructuras. Su trayectoria combina una sólida formación académica, una destacada carrera profesional y una profunda influencia en el desarrollo de métodos analíticos avanzados.

Nacido con el apellido Meunier, lo cambió por el de Vierendeel tras el segundo matrimonio de su madre con Pierre Vierendeel. Pasó su infancia y juventud en Geraardsbergen y, en 1874, se licenció en ingeniería civil y de minas en la Universidad Católica de Lovaina. Inmediatamente después, inició su carrera como ingeniero en la empresa Nicaise et Delcuve, en La Louvière.

En 1876 alcanzó notoriedad al ganar el concurso para diseñar el Royal Circus de Bruselas, una de las estructuras metálicas más ambiciosas de la época en Bélgica. Su diseño, excepcionalmente liviano, provocó un amplio debate público, que puso de manifiesto su enfoque audaz en materia estructural.

En 1885 fue nombrado director del servicio técnico del Ministerio de Obras Públicas de Flandes Occidental, cargo que desempeñó hasta 1927. Ese mismo año comenzó a impartir clases en la Universidad Católica de Lovaina, donde fue profesor de Construcción, Resistencia de Materiales, Ingeniería Estructural e Historia de la Técnica. Su influencia académica perduró hasta su jubilación, momento en el que fue distinguido con el título de profesor emérito en 1935.

Entre sus contribuciones más significativas, destaca el desarrollo de la llamada viga Vierendeel, una viga reticulada sin diagonales concebida en 1895. Con motivo de la Exposición Universal de Bruselas de 1897, financió y construyó personalmente un puente experimental de 31,5 metros de luz, que sometió a cargas hasta su colapso con el objetivo de validar empíricamente sus cálculos estructurales. Este experimento no solo confirmó la viabilidad del diseño, sino que consolidó su aceptación tanto en Bélgica —donde fue ampliamente utilizado por los Ferrocarriles del Estado— como en el extranjero; el primer puente Vierendeel en Estados Unidos se construyó ya en el año 1900.

Puente Hafe vu Léck. https://es.wikipedia.org/wiki/Puente_Vierendeel

El primer puente definitivo que empleó su sistema fue el puente de Waterhoek, construido en 1902 sobre el río Escalda, en la localidad de Avelgem. Esta estructura alcanzó relevancia cultural al ser mencionada en la novela De teleurgang van den Waterhoek, de Stijn Streuvels.

La viga Vierendeel planteó importantes desafíos teóricos, especialmente en una época en la que predominaban los métodos analíticos aplicables a estructuras trianguladas. En 1912, la revista Der Eisenbau publicó un debate técnico sobre las ventajas y limitaciones del sistema, lo que estimuló el desarrollo de nuevos enfoques analíticos, como el método de desplazamientos. Su legado técnico sigue vigente en aplicaciones modernas como el puente Qian Lin Xi, en China (1989), o las vigas estructurales del edificio sede del Commerzbank, en Fráncfort (1996).

Vierendeel fue también un prolífico autor. Entre sus obras más relevantes se encuentran Cours de stabilité des constructions (1889), L’architecture du Fer et de l’Acier (1897), Théorie générale des poutres Vierendeel (1900), La construction architectureale en fonte, fer et acier (1901), Der Vierendeelträger im Brückenbau (1911), Einige Betrachtungen über das Wesen des Vierendeelträgers (1912) y Breves reseñas de historia de la técnica y Cálculo de estructuras metálicas. Su producción bibliográfica constituye una referencia esencial en la historia de la ingeniería estructural.

Arthur Vierendeel se retiró en 1927 y falleció trece años después, en 1940. Su legado permanece como testimonio del equilibrio entre audacia ingenieril, rigor analítico y visión académica.

Evaluación de sistemas de cerramiento en naves industriales de acero: impacto ambiental y estrategias de final de vida.

Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Buildings, de la editorial Elsevier, indexada en el JCR. El trabajo se realiza un exhaustivo análisis comparativo, basado en la metodología de Análisis de Ciclo de Vida (LCA) «de la cuna a la tumba», de tres soluciones de cerramiento para naves industriales de acero (chapas de acero, combinación de acero y ladrillo de arcilla y combinación de acero y bloque de hormigón) bajo dos escenarios de fin de vida (vertedero y reciclaje). Partiendo de una unidad funcional de 500 m² de envolvente lateral y utilizando el método ReCiPe 2016 Midpoint en 18 categorías de impacto, se desglosan detalladamente los inventarios de materiales, factores de reposición, procesos de extracción y fabricación, así como las repercusiones de distintas rutas de gestión de residuos. El estudio identifica los puntos críticos en las fases preoperativa, operativa y postoperativa, cuantifica las ventajas ambientales del reciclaje frente al vertido y evidencia que, pese a la preponderancia del acero, los indicadores de toxicidad humana y ecotoxicidad superan ampliamente la huella de carbono en importancia relativa. Por último, se discuten las limitaciones, se destacan las conclusiones clave y se proponen líneas de actuación futuras para enriquecer la sostenibilidad en el diseño y la gestión de las naves industriales.

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 la Universidad Tecnológica Federal de Paraná (Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR), de Brasil.

En el sector de la construcción existe una fuerte demanda de sustituir las técnicas tradicionales por sistemas más sostenibles que cuantifiquen y reduzcan sus impactos ambientales más allá de las simples emisiones de CO₂ o la energía incorporada. Sin embargo, son escasos los estudios comparativos de LCA en naves industriales de acero que contrasten diversas opciones de cerramiento y analicen simultáneamente distintos escenarios de fin de vida. Este trabajo compara tres sistemas de cerramiento en naves de acero (SW: paneles de acero, SClaW: acero + ladrillo de arcilla y SConW: acero + bloque de hormigón) bajo dos rutas de fin de vida (vertedero frente a reciclaje), evaluando su desempeño en 18 categorías de impacto del método ReCiPe 2016 Midpoint. El objetivo es determinar qué combinaciones de materiales y gestión de residuos ofrecen el menor impacto ambiental global y, en consecuencia, orientar futuras decisiones de diseño y gestión.

Siguiendo la norma ISO 14040/44, se define el alcance como el ciclo completo de vida de las naves (extracción de materias primas, producción, construcción, uso y fin de vida). La unidad funcional elegida es 500 m² de cerramiento lateral equivalente a la envolvente de dos muros completos de la nave (superficie total: 600 m², 30 m × 20 m × 5 m). Se excluyó el tratamiento de los residuos generados en la obra y en el mantenimiento por falta de datos fiables y para garantizar la comparabilidad entre los tres diseños.

Las naves comparten estructura de perfiles de acero (ASTM A36 y A572 Gr. 50) y techo de chapa trapezoidal galvanizada de 0,5 mm de espesor y una pendiente del 5 %. Los cerramientos varían únicamente:

  • SW: chapa de acero (2500,78 kg).
  • SClaW: chapa (1190,85 kg) + ladrillo de arcilla (17 503,33 kg) + mortero (10 860,95 kg).
  • SConW: chapa (1190,85 kg) + bloque de hormigón (51 102,57 kg) + mortero (11 235,08 kg).

Para la etapa de uso, se asumió una vida útil de la nave de 50 años y de 40 años para el cerramiento (ABNT NBR 15575), por lo que se calculó un factor de reposición RF = 50/(40−1) = 0,25. Es decir, durante la explotación se sustituyó el 25 % de los materiales del cerramiento.

Se empleó SimaPro 9.6.0.1 con la base de datos Ecoinvent 3.10 y el método ReCiPe 2016 Midpoint (perspectiva jerárquica), con el que se caracterizaron 18 categorías: desde el «potencial de calentamiento global» o GWP hasta la toxicidad humana y la ecotoxicidad (terrestre, dulce y marina), pasando por la eutrofización, el agotamiento de recursos y el consumo de agua. El análisis abarca las fases preoperacional, operativa (incluido el RF) y postoperativa (vertederos inertes/sanitarios según la norma CONAMA 307/2002 frente a rutas de reciclaje).

Resultados: fases preoperativa y operativa

  • SW presenta los mayores impactos en seis categorías clave (eutrofización, ecotoxicidad y toxicidad humana), debido a la extracción y procesamiento intensivos del acero, con liberación de metales pesados y compuestos que elevan la eutrofización de las aguas continentales, la eutrofización marina, la ecotoxicidad terrestre, la ecotoxicidad de las aguas continentales, la eutrofización marina y la toxicidad carcinógena humana.
  • SClaW es el más perjudicial en otras seis categorías (escasez de recursos fósiles, escasez de recursos minerales, GWP, formación de partículas finas, radiación ionizante y toxicidad no carcinógena humana) debido al alto consumo de combustibles fósiles y materias primas en la cocción de ladrillos.
  • SConW lidera las 6 categorías restantes (ozonación, ozonización humana y terrestre, acidificación terrestre, consumo de agua, uso del suelo), atribuibles a la producción de cemento y hormigón (SO₂, NO_x, consumo de áridos y agua).

El impacto operativo equivale a un 25 % del preoperacional en todas las categorías, debido al RF uniforme, por lo que se suma directamente para el análisis conjunto.

Resultados: fase postoperativa

  • En el Escenario 1 (vertedero), SW arroja los mayores impactos en GWP, escasez de recursos fósiles, toxicidad y consumo de agua al verter acero (100 % reciclable) en un vertedero sanitario, lo que aumenta la demanda de material virgen y las emisiones asociadas.
  • En el Escenario 2 (reciclaje), todos los impactos se reducen drásticamente para los tres proyectos; la magnitud de esta reducción es mayor en SW debido a su alta proporción de acero, lo que penaliza severamente su perfil ambiental en el vertedero.

Este contraste evidencia que la estrategia de gestión de residuos (vertedero frente a reciclaje) tiene un efecto igual o más importante que la elección del material de cerramiento.

Resultados: ciclo de vida completo y comparativa cuantitativa.

En el ciclo de vida completo bajo el escenario 2, el SW + reciclaje obtiene el mejor desempeño ambiental en 9 de las 18 categorías. Por ejemplo, en GWP registra 7 823,752 kg CO₂ eq, con el SClaW al 98,34 % y el SConW al 72,66 % de ese valor; en Ozone Depletion es 0,00126 kg CFC11 eq (SClaW al 78,62 %, SConW al 176,45 %); en Ionizing Radiation registra 221,576 kBq Co-60 eq (33,85 % y −4,54 % respectivamente).

En contraste, el SW + vertedero es la peor alternativa en siete categorías (ecotoxicidad terrestre y acuática, carcinogenicidad y eutrofización), lo que subraya el impacto negativo de no reciclar el acero.

La normalización revela que las categorías de ecotoxicidad (terrestre, dulce y marina) y toxicidad no carcinógena para los humanos dominan el impacto total, superando ampliamente a la de GWP. Esto indica que existen riesgos locales y laborales por exposición a contaminantes pesados y compuestos tóxicos, que a menudo quedan fuera de los debates centrados únicamente en el cambio climático.

Discusión de los resultados

  • La opción más favorable en la mitad de las categorías ambientales evaluadas es la elección de chapas de acero reciclables, combinada con un programa de reciclaje efectivo.
  • El estudio demuestra la relevancia de ampliar el alcance de los indicadores más allá del CO₂, ya que categorías como la ecotoxicidad y la toxicidad humana pueden ser hasta 20 veces más significativas en términos normalizados.
  • La disposición de materiales reciclables (acero, ladrillo, hormigón) en vertederos supone un «punto caliente» que puede anular parcialmente las ventajas de un diseño ligero o materialmente eficiente.

Limitaciones y futuras líneas de investigación

Los autores reconocen que el estudio presenta varias limitaciones derivadas del ámbito de los datos y del alcance metodológico. En primer lugar, se ha excluido del inventario la generación de residuos durante las fases de construcción y mantenimiento, debido a la falta de datos fiables y específicos para proyectos de naves industriales. Además, la dependencia de procesos y materiales modelados en la base de datos genérica Ecoinvent, sin tener en cuenta los inventarios locales brasileños, puede afectar a la representatividad regional de los resultados y sesgar las conclusiones. Por último, el análisis se ha centrado exclusivamente en indicadores ambientales, dejando fuera las dimensiones económica y social, como los costes de ciclo de vida y el impacto social, así como aspectos operativos clave, como el confort térmico y la eficiencia energética durante el uso de las naves.

Para superar estas limitaciones y enriquecer la sostenibilidad de futuros estudios, se proponen una serie de recomendaciones. En primer lugar, se sugiere incorporar inventarios primarios locales que reflejen de manera más precisa los procesos y materiales de cada región, especialmente en contextos como el brasileño. En segundo lugar, se debe ampliar el abanico de sistemas constructivos analizados, incluyendo soluciones con aislantes y materiales híbridos que puedan ofrecer mejores prestaciones ambientales. En tercer lugar, se debe avanzar hacia un análisis integrado de costes y aspectos sociales mediante una metodología LCSA (Life Cycle Sustainability Assessment), que combine las dimensiones económica, ambiental y social. Por último, se debe evaluar el rendimiento en uso de las naves y relacionar los resultados de la LCA ambiental con parámetros de eficiencia energética y confort térmico para ofrecer una visión más completa del ciclo de vida del edificio.

Referencia:

VITORIO JUNIOR, P.C.; YEPES, V.; ONETTA, F.; KRIPKA, M. (2025). Comparative Life Cycle Assessment of Warehouse Construction Systems under Distinct End-of-Life Scenarios. Buildings, 15(9), 1445. DOI:10.3390/buildings15091445

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

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Durabilidad de las estructuras de acero

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

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

Factores que afectan a la durabilidad del acero

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

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

Diseño estructural y estrategias para mejorar la durabilidad

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

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

Selección de materiales y protección contra la corrosión

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

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

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

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

Mantenimiento y conservación

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

Conclusión

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

A continuación, podéis ver algunos vídeos al respecto.

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

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Estructuras híbridas de acero

Viga armada de acero. https://www.renedometal.es/vigas-armadas-la-rioja/

El desarrollo de estructuras de acero ha sido un pilar fundamental en la ingeniería civil desde el siglo XIX. Obras emblemáticas como el puente de Brooklyn y la torre Eiffel son ejemplos tempranos de su aplicación con éxito. La evolución tecnológica ha dado lugar al desarrollo de conceptos avanzados como las vigas híbridas de acero, que permiten un mejor aprovechamiento del material y reducen los costes de manera significativa. Las vigas híbridas de acero son una solución avanzada en el ámbito de la construcción que permite optimizar el uso de materiales, reducir costes y mejorar la eficiencia estructural. Estas vigas combinan diferentes tipos de acero en sus componentes para maximizar la resistencia y minimizar el peso, por lo que constituyen una alternativa eficaz a las vigas homogéneas tradicionales.

Históricamente, han dominado el mercado las vigas de acero convencionales, en las que tanto el alma como las alas tienen la misma resistencia a la fluencia. Sin embargo, esta configuración puede llevar a un uso ineficiente del material, ya que las alas soportan la mayor parte de las tensiones de flexión. La incorporación de diferentes resistencias en las partes de la viga es una solución innovadora para optimizar el empleo del acero.

El concepto de viga híbrida implica el uso de acero de alta resistencia en las alas, donde se producen tensiones de tracción y compresión máximas, y de acero de resistencia moderada en el alma, que soporta tensiones menores. Esta configuración permite reducir el peso total de la viga, disminuir costes y mejorar la sostenibilidad mediante una utilización más eficiente de los recursos.

La investigación sobre vigas híbridas ha seguido tres enfoques principales: estudios experimentales, simulaciones computacionales y revisiones bibliográficas. Los ensayos experimentales evalúan el comportamiento estructural bajo diversas condiciones de carga. Las simulaciones computacionales permiten modelar situaciones complejas mediante el método de elementos finitos. Las revisiones bibliográficas consolidan el conocimiento existente y permiten identificar lagunas en la investigación.

Las estructuras híbridas son objeto de nuestros proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. En las referencias se encuentran tres de los artículos publicados al respecto, los cuales se pueden descargar por estar publicados en abierto. Además, ya publicamos varias entradas sobre estos trabajos hace unos meses.

En un artículo anterior (Terreros-Bezoya et al., 2023), ya hicimos referencia a un estudio del estado del arte al respecto. En dicha investigación se revisaron 128 publicaciones sobre diseño de vigas y se utilizó un análisis de correspondencia para identificar patrones en variables como la resistencia de alas y alma, las condiciones de carga y los métodos de cálculo. Se sistematiza el conocimiento existente y se destacan enfoques de diseño eficaces. Se identifican ratios híbridos ideales, con un equilibrio entre resistencia y economía de material, que oscilan entre 1,3 y 1,6. Además, el estudio destaca las ventajas ambientales y económicas de las vigas híbridas, ya que al reducir el peso de las estructuras, disminuyen los costes de transporte, instalación y materiales, y, por tanto, las emisiones de CO₂. Esta estrategia se alinea con los objetivos de la Unión Europea para lograr la neutralidad climática en 2050 y mejora la viabilidad de proyectos a gran escala al reducir los costes de fabricación y montaje.

Estudios recientes han demostrado que las vigas híbridas son superiores en términos de resistencia y eficiencia económica. Ensayos experimentales muestran que pueden soportar cargas hasta un 40% mayores que las vigas convencionales debido a su capacidad para distribuir tensiones de manera más efectiva. Además, su uso puede reducir los costos de construcción en un 20%, considerando ahorros en materiales, transporte e instalación.

En términos de distribución geográfica, la investigación sobre vigas híbridas está dominada por Estados Unidos, China y Europa, con un crecimiento notable en Asia debido a su desarrollo infraestructural. Los estudios se centran en tres áreas principales: comportamiento estructural, desarrollo de metodologías de diseño y optimización económica.

Las investigaciones sobre flexión pura revelan que una resistencia a la fluencia de 300 MPa en el alma y 500 MPa en las alas mejora significativamente el rendimiento estructural. En términos de corte puro, se ha logrado mejorar la resistencia en un 25% mediante el desarrollo de campos de tensión diagonales. La interacción flexión-corte permite incrementar la resistencia última hasta un 30% al diseñar refuerzos de ala y distribuciones de carga adecuadas.

El trabajo de Negrín et al. (2023) presenta una metodología para optimizar el diseño de vigas híbridas de acero soldado y, por tanto, mejorar su coste. Se formula un problema de optimización que permite configuraciones híbridas con diferentes tipos de acero y se considera el coste de fabricación como función objetivo. Los resultados indican que el diseño optimizado puede ser hasta un 50 % más económico que los métodos tradicionales. Además, se sugieren métodos para comparar soluciones óptimas y se establecen líneas de investigación futuras basadas en los resultados obtenidos.

El estudio de Negrín et al. (2024) destaca los beneficios económicos de las vigas de acero híbridas transversal-longitudinalmente (TLH), mostrando una reducción de costos de fabricación superior al 50% en comparación con diseños tradicionales. Se identifican configuraciones TLH como más eficaces para elementos grandes, con recomendaciones para puntos de transición y configuraciones de materiales según niveles de tensión. Además, la metodología propuesta promueve un diseño sostenible, optimizando elementos TLH para mejorar aspectos económicos y ambientales, lo que sugiere futuras investigaciones en comportamiento estructural y sostenibilidad.

Sin embargo, persisten desafíos en áreas como la soldadura y la fabricación. La unión de materiales con diferentes propiedades requiere técnicas especializadas y electrodos adecuados para garantizar la integridad estructural. Además, los estándares de diseño actuales deben actualizarse para reflejar las características específicas de las vigas híbridas y proporcionar directrices más detalladas para su aplicación.

En conclusión, las vigas híbridas de acero ofrecen una combinación única de resistencia, sostenibilidad y economía. Los avances en fabricación, en métodos computacionales y en el análisis del ciclo de vida continúan impulsando su desarrollo. La colaboración entre instituciones académicas, la industria y los organismos reguladores será esencial para su adopción generalizada. La actualización de los códigos de diseño y la estandarización de los procesos de fabricación mejorarán su competitividad en proyectos de infraestructura a gran escala.

Referencias:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2024). Optimized Transverse-Longitudinal Hybrid Construction for Sustainable Design of Welded Steel Plate Girders. Advances in Civil Engineering, 2024:5561712. DOI:10.1155/2024/5561712.

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Design optimization of welded steel plate girders configured as a hybrid structure. Journal of Constructional Steel Research, 211:108131. DOI:10.1016/j.jcsr.2023.108131

TERREROS-BEDOYA, A.; NEGRÍN, I.; PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V. (2023). Hybrid steel girders: review, advantages and new horizons in research and applications. Journal of Constructional Steel Research, 207:107976. DOI:10.1016/j.jcsr.2023.107976.

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Vigas híbridas de acero: la apuesta sostenible que transforma costos y rendimiento en la construcción

Un artículo reciente publicado en el Journal of Constructional Steel Research, liderado por los investigadores Agustín Terreros-Bedoya, Iván Negrín, Ignacio Payá-Zaforteza y Víctor Yepes de la Universitat Politècnica de València, explora en profundidad el uso de vigas híbridas de acero como una alternativa innovadora y sostenible a las vigas tradicionales de acero homogéneo.

Estas vigas híbridas, que combinan diferentes tipos de acero de distintas resistencias en sus componentes (alas y alma), han demostrado tener un gran potencial para optimizar el uso de materiales en la construcción, mejorar la eficiencia estructural y reducir costes y el impacto ambiental.

El trabajo se enmarca dentro de los proyectos de investigación HYDELIFE y RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Vigas híbridas: concepto y ventajas

El estudio parte de la necesidad de encontrar soluciones estructurales que no solo cumplan con altos estándares de rendimiento, sino que también sean sostenibles. En una viga híbrida, el acero de alta resistencia se utiliza en las alas, donde se requiere mayor capacidad de resistencia a esfuerzos, mientras que el alma se construye con un acero de resistencia media, lo que reduce el peso y el coste del material sin comprometer su resistencia general. Este diseño permite que la viga absorba cargas significativas y redistribuya los esfuerzos de forma más eficiente que una viga homogénea, con lo que se logra una estructura más liviana y económica.

Metodología y análisis

La investigación analiza 128 publicaciones previas sobre el tema, utilizando un análisis de correspondencia simple para identificar patrones y relaciones entre variables de diseño, como la resistencia de las alas y el alma, las condiciones de carga y los métodos de cálculo. Mediante esta metodología, los autores logran sistematizar el conocimiento existente sobre el tema y destacan los enfoques de diseño más eficaces. Este análisis también identificó los «ratios híbridos» ideales, es decir, la proporción óptima entre la resistencia del acero en el alma y en las alas para maximizar el rendimiento de la viga. Un hallazgo clave es que los ratios híbridos entre 1,3 y 1,6 suelen proporcionar un equilibrio óptimo entre resistencia y economía de material.

Sostenibilidad y beneficios económicos

Además del rendimiento estructural, el estudio subraya las ventajas ambientales de las vigas híbridas. Al reducir el peso de las estructuras, disminuyen los costes de transporte, instalación y consumo de materiales, lo cual se traduce en una reducción significativa de las emisiones de CO₂. Los investigadores destacan que esta estrategia de construcción está en consonancia con los objetivos de la Unión Europea de reducir la huella de carbono de la industria de la construcción y lograr la neutralidad climática para 2050. Desde el punto de vista económico, la reducción de peso y material también representa unos costes de fabricación y montaje menores, lo que incrementa la viabilidad de estas soluciones en proyectos a gran escala.

Desafíos y áreas futuras de investigación

El estudio identifica varios desafíos que deben abordarse para implementar las vigas híbridas de manera efectiva en proyectos reales. Uno de los retos más importantes es la limitada cantidad de estudios experimentales en condiciones de carga combinada (flexión y cortante) y de pandeo, que son comunes en estructuras complejas como puentes y edificios de gran altura. Los autores recomiendan llevar a cabo investigaciones adicionales para desarrollar métodos de diseño que integren estas variables y permitan un mejor rendimiento bajo cargas extremas.

Otra área prometedora es la implementación de algoritmos de optimización y técnicas de inteligencia artificial para mejorar el diseño y el análisis de estas vigas. Estos métodos pueden ayudar a identificar configuraciones de material y geometría que maximicen la eficiencia estructural y minimicen el impacto ambiental. También sugieren explorar la combinación de acero de alta resistencia con otros materiales, como el hormigón, para crear estructuras híbridas aún más optimizadas.

Implicaciones para la industria de la construcción

Este estudio contribuye significativamente al conocimiento de las vigas híbridas de acero, ya que propone un marco de referencia que puede transformar la forma en que se diseñan y construyen las infraestructuras. A medida que se intensifica la presión para construir de forma más eficiente y respetuosa con el medioambiente, las vigas híbridas se perfilan como una solución viable que permite aprovechar al máximo las propiedades de los materiales, a la vez que se reducen los costes y la huella de carbono de las construcciones. Por tanto, la investigación de Terreros-Bedoya y su equipo proporciona una base sólida para que ingenieros y constructores consideren esta tecnología en futuros proyectos, impulsando un desarrollo urbano más sostenible y económico.

Referencia:

TERREROS-BEDOYA, A.; NEGRÍN, I.; PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V. (2023). Hybrid steel girders: review, advantages and new horizons in research and applications. Journal of Constructional Steel Research, 207:107976. DOI:10.1016/j.jcsr.2023.107976.

Dejo a continuación el artículo completo, pues está publicado en abierto.

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Optimización del diseño de vigas híbridas de acero

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Constructional Steel Research, revista indexada en el JCR. Este artículo implementa la optimización del diseño estructural para mejorar los índices económicos de las vigas híbridas de acero soldadas. El problema de optimización está formulado de manera que permita el uso de configuraciones híbridas, es decir, diferentes tipos de acero en el alma y en las alas. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Las contribuciones de este trabajo son las siguientes:

  • El artículo propone una metodología para la optimización del diseño estructural de vigas híbridas de acero soldadas con el fin de mejorar sus índices económicos.
  • El problema de optimización se formula para permitir el uso de configuraciones híbridas, que pueden incluir diferentes tipos de acero en las almas y en las alas.
  • El documento incluye once calidades de acero como variables de optimización, y el costo de fabricación se formula como una función objetivo, que incluye otras siete actividades, como la soldadura o la pintura.
  • Los resultados muestran que el diseño optimizado proporciona soluciones hasta un 50% más económicas que los métodos de diseño tradicionales.
  • El documento sugiere ciertos conceptos que destacan las propiedades mecánicas para comparar las soluciones óptimas para cada estudio de caso, que pueden servir como recomendaciones de diseño para proyectos futuros que incluyan este elemento estructural.
  • El artículo establece líneas de investigación futuras sobre este tema, basándose en los vacíos de la investigación y en los prometedores resultados obtenidos.

Abstract:

This paper implements structural design optimization to improve the economic indexes of welded steel plate girders. The optimization problem is formulated in a way that allows the use of hybrid configurations, i.e., different types of steel in the flanges and web. Besides the cross-sectional dimensions, eleven steel grades are included as optimization variables. In addition to weight and material cost, the manufacturing cost is formulated as an optimization objective, which includes seven other activities, such as welding or painting. The geometrically double symmetric I-girder design subjected to a uniform transverse load is carried out through the Eurocode 3 rules. Nine case studies are implemented by varying the girder span and load values. The results show significant differences depending on the optimization objective, especially between weight and cost optimization. On the other hand, optimization-assisted design provides solutions up to 50% more economical than traditional design methods. Hybrid-optimized configurations can also improve these indexes by about 10% compared to their homogeneous counterpart, demonstrating the applicability of this novel practice. Certain concepts highlighting mechanical properties are proposed to compare the optimal solutions for each case study. These concepts can serve as design recommendations for future projects that include this structural element. Finally, based on the research gaps and the promising results obtained, future lines of research on this topic are established.

Keywords:

Hybrid steel girder; Structural optimization; Hybrid ratio; Biogeography-based optimization

Reference:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Design optimization of welded steel plate girders configured as a hybrid structure. Journal of Constructional Steel Research, 211:108131. DOI:10.1016/j.jcsr.2023.108131

Al tratarse de un artículo publicado en abierto, os dejo el mismo para su descarga. Espero que os sea de interés.

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Tesis doctoral: Optimal deep learning assisted design of socially and environmentally efficient steel concrete composite bridges under constrained budgets

Hoy 19 de julio de 2023 ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. David Martínez Muñoz titulada “Optimal deep learning assisted design of socially and environmentally efficient steel concrete composite bridges under constrained budgets“, dirigida por Víctor Yepes Piqueras y José V. Martí Albiñana. La tesis recibió la máxima calificación de sobresaliente «cum laude» y presenta la mención internacional. Presentamos a continuación un pequeño resumen de la misma.

Resumen:

El diseño de infraestructuras está fuertemente influido por la búsqueda de soluciones que tengan en cuenta el impacto en la economía, el medio ambiente y la sociedad. Estos criterios están muy relacionados con la definición de sostenibilidad que hizo la Comisión Brundtland en 1987. Este hito supuso un reto para técnicos, científicos y legisladores. Este reto consistía en generar métodos, criterios, herramientas y normativas que permitieran incluir el concepto de sostenibilidad en el desarrollo y diseño de nuevas infraestructuras. Desde entonces, se han producido pequeños avances en la búsqueda de la sostenibilidad, pero se necesitan más a corto plazo. Como plan de acción, las Naciones Unidas establecieron los Objetivos de Desarrollo Sostenible, fijando el año 2030 como meta para alcanzarlos. Dentro de estos objetivos, las infraestructuras se postulan como un punto crítico. Tradicionalmente, se han desarrollado métodos para obtener diseños óptimos desde el punto de vista del impacto económico. Sin embargo, aunque en los últimos tiempos se ha avanzado en la aplicación y utilización de métodos de análisis del ciclo de vida completo, aún falta un consenso claro, especialmente en el pilar social de la sostenibilidad. Dado que la sostenibilidad engloba diferentes criterios, que en principio no van necesariamente de la mano, el problema de la búsqueda de la sostenibilidad se plantea no solo como un problema de optimización, sino también como un problema de toma de decisiones multi-criterio.

El objetivo principal de esta tesis doctoral es proponer diferentes metodologías para la obtención de diseños óptimos que introduzcan los pilares de la sostenibilidad en el diseño de puentes mixtos acero-hormigón. Como problema estructural representativo se sugiere un puente viga en cajón de tres vanos mixto. Dada la complejidad de la estructura, en la que intervienen 34 variables discretas, la optimización con métodos matemáticos resulta inabordable. Por ello, se recomienda el uso de algoritmos metaheurísticos. Esta complejidad también se traduce en un alto coste computacional para el modelo, por lo que se implementa un modelo de redes neuronales profundas que permite la validación del diseño sin necesidad de computación. Dada la naturaleza discreta del problema, se proponen técnicas de discretización para adaptar los algoritmos al problema de optimización estructural. Además, para mejorar las soluciones obtenidas a partir de estos algoritmos discretos, se introducen métodos de hibridación basados en la técnica K-means y operadores de mutación en función del tipo de algoritmo. Los algoritmos utilizados se clasifican en dos ramas. La primera son los basados en trayectorias como el Simulated Annealing, Threshold Accepting y el Algoritmo del Solterón. Por otra parte, se emplean algoritmos de inteligencia de enjambre como Jaya, Sine Cosine Algorithm y Cuckoo Search. La metodología de Análisis del Ciclo de Vida definida en la norma ISO 14040 se usa para evaluar el impacto social y medioambiental de los diseños propuestos. La aplicación de esta metodología permite evaluar el impacto y compararlo con otros diseños. La evaluación mono-objetivo de los diferentes criterios lleva a la conclusión de que la optimización de costes está asociada a una reducción del impacto medioambiental y social de la estructura. Sin embargo, la optimización de los criterios medioambientales y sociales no reduce necesariamente los costes. Por ello, para realizar una optimización multi-objetivo y encontrar una solución de compromiso, se implementa una técnica basada en la Teoría de Juegos, recomendando una estrategia de juego cooperativo. La técnica multi-criterio empleada es la Teoría de la Entropía para asignar pesos a los criterios para la función objetivo agregada. Los criterios considerados son los tres pilares de la sostenibilidad y la facilidad constructiva de la losa superior. Aplicando esta técnica se obtiene un diseño óptimo relativo a los tres pilares de la sostenibilidad y a partir del cual se mejora la facilidad constructiva.

Referencias:

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