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Tesis doctoral: Optimización sostenible y resiliente de edificios con estructuras híbridas y mixtas

De izquierda a derecha: Fermín Navarrina, Víctor Yepes, Iván Negrín, Tatiana García y Rasmus Rempling.

Hoy, 19 de diciembre de 2025, ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Iván Antonio Negrín Díaz, titulada “Metaheuristic optimization for the sustainable and resilient design of hybrid and composite frame building structures with advanced integrated modeling”, dirigida por los profesores Víctor Yepes y Moacir Kripka. La tesis ha obtenido la máxima calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un breve resumen de la misma.

El cambio climático y la rápida expansión de las áreas urbanas han intensificado el impacto ambiental del sector de la construcción, responsable de cerca del 37 % de las emisiones globales de CO₂ y de más de un tercio del consumo energético mundial. Por tanto, mejorar la sostenibilidad y la resiliencia de las estructuras de edificios se ha convertido en una prioridad esencial, plenamente alineada con los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas. Esta tesis doctoral aborda este reto mediante el desarrollo de un marco de diseño optimizado que permite obtener soluciones innovadoras, sostenibles y resilientes para estructuras porticadas.

El objetivo principal de la investigación es crear y validar metodologías avanzadas que integren tipologías estructurales híbridas y mixtas con estrategias de optimización de vanguardia apoyadas en modelos estructurales de alta fiabilidad. Para ello, se formulan problemas de optimización que consideran conjuntamente criterios económicos, ambientales, constructivos, de durabilidad y de seguridad estructural, e incorporan, además, aspectos frecuentemente ignorados, como la interacción suelo-estructura, la robustez frente al colapso progresivo y el desempeño ambiental a lo largo del ciclo de vida de la estructura. Entre los objetivos específicos, destacan los siguientes: evaluar metaheurísticas avanzadas y técnicas de optimización asistida por metamodelos; cuantificar los riesgos de modelos estructurales simplificados; integrar la resiliencia como restricción de diseño; valorar los beneficios de tipologías híbridas y mixtas; explorar estrategias de optimización multiobjetivo; y comparar enfoques de diseño basados en fases iniciales y en el ciclo de vida.

Los resultados muestran que las estrategias metaheurísticas avanzadas y asistidas por metamodelos (como BBO-CINS, enfoques basados en Kriging y Optimización Escalarizada de Pareto) superan claramente a los algoritmos tradicionales, ya que logran reducciones de hasta el 90 % en el coste computacional en problemas de un solo objetivo y mejoras de hasta el 140 % en la calidad del frente de Pareto en problemas de varios objetivos. Asimismo, se evidencia el riesgo de simplificar en exceso los modelos estructurales: omitir aspectos críticos, como la interacción suelo-estructura o los elementos secundarios (forjados, muros), puede distorsionar el diseño, comprometer la seguridad (por ejemplo, al subestimar la resistencia al colapso) y aumentar los impactos ambientales a largo plazo, debido al deterioro acelerado y a las mayores necesidades de mantenimiento. También se demuestra que, al incorporar la resiliencia como restricción de diseño en lugar de tratarla como un objetivo de optimización, es posible mejorar la robustez frente al colapso progresivo sin perjudicar la sostenibilidad y reducir la carga ambiental del diseño robusto en torno al 11 % al considerar elementos estructurales secundarios.

A nivel de componentes estructurales, la optimización de las vigas de acero soldadas confirmó las ventajas de la hibridación y de las geometrías variables, lo que dio lugar a la tipología Transversely Hybrid Variable Section (THVS), que reduce los costes de fabricación hasta en un 70 % respecto a las vigas I convencionales. Su integración en pórticos compuestos de hormigón armado y elementos THVS proporcionó mejoras adicionales en sostenibilidad, con reducciones del 16 % en emisiones y del 11 % en energía incorporada en las fases iniciales de diseño, y hasta un 30 % en emisiones de ciclo de vida en comparación con los sistemas tradicionales de hormigón armado. La inclusión de forjados y muros estructurales amplificó estos beneficios, reduciendo los impactos del ciclo de vida hasta en un 42 % respecto a configuraciones de pórticos en las que solo el esqueleto trabaja estructuralmente (omitiendo forjados y muros).

En conjunto, esta tesis demuestra que las metodologías de diseño basadas en la optimización, apoyadas en modelos estructurales realistas y en estrategias computacionales avanzadas, permiten concebir edificios que, al mismo tiempo, son más sostenibles y resilientes. Al resaltar las ventajas de las tipologías híbridas y mixtas e integrar la resiliencia sin comprometer la sostenibilidad, la investigación establece un marco claro para el diseño contemporáneo. Además, al enfatizar la optimización a lo largo de todo el ciclo de vida, ofrece una base metodológica sólida para impulsar una nueva generación de edificaciones alineadas con los objetivos globales de sostenibilidad y de acción climática.

Referencias:

  1. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Life-cycle environmental impact optimization of an RC-THVS composite frame for sustainable construction. Engineering Structures, 345, 121461. DOI:10.1016/j.engstruct.2025.121461
  2. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Manufacturing cost optimization of welded steel plate I-girders integrating hybrid construction and tapered geometry. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 140, 1601-1624. DOI:10.1007/s00170-025-16365-2
  3. NEGRÍN, I.; CHAGOYÉN, E.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). An integrated framework for Optimization-based Robust Design to Progressive Collapse of RC skeleton buildings incorporating Soil-Structure Interaction effects. Innovative Infrastructure Solutions, 10:446. DOI:10.1007/s41062-025-02243-z
  4. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Design optimization of a composite typology based on RC columns and THVS girders to reduce economic cost, emissions, and embodied energy of frame building construction. Energy and Buildings, 336:115607. DOI:10.1016/j.enbuild.2025.115607
  5. 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
  6. 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.
  7. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Multi-criteria optimization for sustainability-based design of reinforced concrete frame buildings. Journal of Cleaner Production, 425:139115. DOI:10.1016/j.jclepro.2023.139115
  8. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Metamodel-assisted meta-heuristic design optimization of reinforced concrete frame structures considering soil-structure interaction. Engineering Structures, 293:116657. DOI:10.1016/j.engstruct.2023.116657
  9. 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
  10. 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.
  11. NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Metamodel-assisted design optimization in the field of structural engineering: a literature review. Structures, 52:609-631. DOI:10.1016/j.istruc.2023.04.006

 

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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El prisma mecánico: modelo teórico en Resistencia de Materiales

Figura 1. Prisma mecánico

En el campo de la Resistencia de Materiales, uno de los objetivos fundamentales es analizar el comportamiento de los sólidos elásticos sometidos a cargas. Para ello, se emplea un modelo teórico que idealiza el sólido real y le otorga ciertas propiedades físicas y geométricas que simplifican su estudio. Este modelo se conoce como prisma mecánico.

A continuación se examina en profundidad el prisma mecánico, un modelo teórico fundamental en la Resistencia de Materiales para simplificar el estudio de sólidos elásticos bajo carga. Se detallan sus propiedades físicas (isotropía, homogeneidad, continuidad) y geométricas (definidas por una sección transversal y una línea media), junto con el sistema de referencia utilizado para su análisis. Además, se explica cómo este modelo permite descomponer estructuras complejas y se clasifican los tipos principales de prismas mecánicos, incluyendo barras, placas y cáscaras, destacando su aplicación en diversos elementos estructurales. En definitiva, el prisma mecánico es una herramienta esencial en la ingeniería para el análisis estructural.

1. Propiedades físicas del modelo

Desde el punto de vista físico, el prisma mecánico se define como un sólido que cumple con tres propiedades esenciales:

  • Isotropía: el material responde de igual manera en todas las direcciones.
  • Homogeneidad: las propiedades del material son constantes en todos sus puntos.
  • Continuidad: el sólido no presenta huecos ni discontinuidades internas.

Estas condiciones permiten aplicar con validez los principios de la mecánica del continuo, base del análisis estructural en ingeniería.

2. Definición geométrica del prisma mecánico

El prisma mecánico (Figura 1) se construye a partir de una sección plana Σ de área Ω, cuyo centro de gravedad G describe una curva espacial c, denominada línea media o directriz. En cada punto, el plano de la sección es normal (perpendicular) a esta curva.

Según la forma de la línea media, el prisma puede ser:

  • Recto: si la línea media es una recta.
  • Plano: si la línea media está contenida en un plano.
  • Alabeado: si la línea media tiene una forma tridimensional más compleja.

Para que el modelo sea aplicable, la línea media no debe presentar curvaturas bruscas ni cambios abruptos de sección de un punto a otro. Si el área de la sección transversal es constante, se trata de un prisma de sección constante. Si no es así, se denomina prisma de sección variable.

3. Sistema de referencia

Para analizar las acciones internas y externas en el prisma, se utiliza un sistema de ejes con origen en el centro de gravedad de cada sección:

  • El eje Gx es tangente a la línea media en el punto considerado.
  • Los ejes Gy y Gz están contenidos en el plano de la sección y son los ejes principales de inercia de la misma.

Este conjunto de ejes conforma un sistema trirrectángulo (los tres ejes son mutuamente perpendiculares). El eje Gx es normal a la sección, mientras que Gy y Gz están en el plano de la sección y son perpendiculares entre sí.

La posición de un punto G sobre la curva c se describe mediante su abscisa curvilínea s, que representa la longitud de arco desde un punto de origen arbitrario (por ejemplo, el centro de gravedad de la sección extrema izquierda del prisma). El sentido positivo de Gx corresponde a valores crecientes de s, y los sentidos de Gy y Gz se eligen de forma que el sistema de referencia sea directo (siguiendo la regla de la mano derecha).

4. Aplicación del prisma mecánico al análisis estructural

Una de las ventajas del prisma mecánico es su capacidad para simplificar el estudio de estructuras complejas. Mediante el método de las secciones, es posible realizar cortes ideales en la estructura que permiten dividirla en un número finito de prismas mecánicos.

Cada una de estas piezas está sometida a:

  • Las cargas externas que actúan directamente sobre ella.
  • Las fuerzas y momentos transmitidos por las piezas contiguas a través de las secciones extremas.

En las secciones comunes entre dos prismas, estas acciones internas son iguales y opuestas, en cumplimiento del principio de acción y reacción.

5. Tipos fundamentales de prismas mecánicos

Según su geometría, los prismas mecánicos pueden clasificarse en tres grandes categorías:

a) Barra

Se trata del prisma cuya sección transversal tiene dimensiones mucho menores que la longitud de su línea media. Es el tipo más habitual en estructuras, tanto en edificación como en maquinaria.

Dentro de las barras, predominan los prismas planos, en los que la línea media se encuentra contenida en un plano, que normalmente coincide con un plano de simetría de la pieza.

La elección de la forma de la sección depende del material y del tipo de esfuerzo que soportará:

  • En estructuras de hormigón armado, son frecuentes las secciones rectangulares (vigas) o cuadradas (pilares).
  • En estructuras metálicas, se emplean perfiles laminados en doble T para vigas, o perfiles en U soldados para pilares (Figura 2).
Figura 2. Perfil laminado en doble T y dos secciones en U soldadas.

b) Placa

Es un cuerpo limitado por dos planos paralelos, cuya separación, es decir, el espesor, es pequeña en comparación con las otras dos dimensiones. Ejemplos de placas son las losas y los forjados que se utilizan en edificación o en cubiertas prefabricadas.

Figura 3. Placa circular y placa rectangular

c) Cáscara

A diferencia de la placa, está limitada por dos superficies curvas separadas por una pequeña distancia. Un ejemplo de cáscara es un tanque, un silo o una tubería de gran diámetro, y, en general, cualquier estructura laminar curva.

Figura 4. Cáscara

En el análisis de placas y cáscaras, en lugar de una línea media se emplea el concepto de superficie media, definida como el conjunto de puntos que dividen el espesor en dos partes iguales.

Figura 5. Estructura tipo cascarón: L’Oceanogràfic, Valencia. https://es.wikipedia.org/wiki/Cascarones_de_hormig%C3%B3n

Conclusión

El prisma mecánico es un modelo teórico fundamental para el estudio de sólidos en ingeniería. Al reunir condiciones ideales de isotropía, homogeneidad y continuidad, y al estar definido por una geometría clara basada en una sección y una línea media, permite analizar el comportamiento de elementos estructurales sometidos a carga.

Gracias a su versatilidad, este modelo permite descomponer estructuras complejas en elementos más simples, lo que facilita su análisis mecánico. La clasificación en barras, placas y cáscaras abarca prácticamente todas las formas estructurales comunes, lo que convierte al prisma mecánico en una herramienta imprescindible en la enseñanza y práctica de la ingeniería civil.

Referencia:

Berrocal, L. O. (2007). Resistencia de materiales. McGraw-Hill.

Glosario de términos clave

  • Abscisa curvilínea (s): Medida de la posición de un punto a lo largo de una curva, representando la longitud de arco desde un origen arbitrario.
  • Análisis estructural: Rama de la ingeniería que estudia el comportamiento de los sólidos elásticos sometidos a cargas para determinar sus esfuerzos internos, deformaciones y estabilidad.
  • Barra: Tipo de prisma mecánico cuya sección transversal tiene dimensiones mucho menores que la longitud de su línea media; es el elemento más común en estructuras.
  • Cáscara: Tipo de prisma mecánico limitado por dos superficies curvas separadas por una pequeña distancia (espesor); ejemplos incluyen tanques o tuberías de gran diámetro.
  • Continuidad: Propiedad física del prisma mecánico que establece que el sólido no presenta huecos ni discontinuidades internas, permitiendo la aplicación de la mecánica del continuo.
  • Centro de gravedad (G): Punto en una sección plana donde se considera concentrada toda su masa o peso; la línea media del prisma se define por la trayectoria de este punto.
  • Ejes principales de inercia: Ejes de un plano de una sección para los cuales los momentos de inercia de la sección son máximos o mínimos, y el producto de inercia es cero. Son fundamentales para el sistema de referencia del prisma.
  • Homogeneidad: Propiedad física del prisma mecánico que indica que las propiedades del material son constantes en todos sus puntos.
  • Isotropía: Propiedad física del prisma mecánico que describe que el material responde de igual manera en todas las direcciones.
  • Línea media (o directriz): Curva espacial que describe el centro de gravedad de las secciones transversales de un prisma mecánico. Es fundamental para su definición geométrica.
  • Mecánica del continuo: Rama de la mecánica que estudia el comportamiento de los materiales como una masa continua, sin considerar su estructura atómica o molecular, aplicable a sólidos y fluidos.
  • Método de las secciones: Técnica utilizada en el análisis estructural para dividir una estructura en partes ideales mediante «cortes», permitiendo analizar las fuerzas y momentos internos en esas secciones.
  • Placa: Tipo de prisma mecánico limitado por dos planos paralulares cuya separación (espesor) es pequeña en comparación con sus otras dos dimensiones; ejemplos incluyen losas y forjados.
  • Prisma alabeado: Prisma mecánico cuya línea media tiene una forma tridimensional compleja, no contenida en un solo plano.
  • Prisma de sección constante: Prisma mecánico en el que el área de la sección transversal no varía a lo largo de su línea media.
  • Prisma de sección variable: Prisma mecánico en el que el área de la sección transversal cambia a lo largo de su línea media.
  • Prisma mecánico: Modelo teórico idealizado de un sólido elástico, utilizado en Resistencia de Materiales y análisis estructural, definido por propiedades físicas y una geometría específica (sección y línea media).
  • Prisma plano: Prisma mecánico cuya línea media está contenida en un plano.
  • Prisma recto: Prisma mecánico cuya línea media es una recta.
  • Resistencia de materiales: Campo de la ingeniería que estudia el comportamiento de los materiales sólidos bajo la aplicación de cargas, centrándose en conceptos como esfuerzo, deformación y resistencia.
  • Sección plana (Σ): Superficie transversal bidimensional que, al desplazarse a lo largo de la línea media, forma el volumen del prisma mecánico.
  • Sistema trirrectángulo: Sistema de tres ejes mutuamente perpendiculares (como Gx, Gy, Gz) que sirve como marco de referencia para el análisis de las acciones internas y externas en el prisma.
  • Superficie media: Concepto utilizado en el análisis de placas y cáscaras, definido como el conjunto de puntos que dividen el espesor en dos partes iguales, análogo a la línea media para barras.

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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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 de los costes de fabricación de vigas híbridas de chapa de acero soldadas

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Advances in Civil Engineering (revista indexada en el JCR) donde se optimizan las vigas de acero híbridas para minimizar los costos de fabricación. El estudio se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El objetivo del artículo es optimizar las vigas de acero híbridas transversal-longitudinalmente (TLH) para minimizar los costos de fabricación, basándose en investigaciones anteriores sobre vigas híbridas transversalmente. Explora la ubicación de los puntos de transición en las vigas TLH para maximizar las ventajas de la configuración mecánica, y ofrece recomendaciones para establecer transiciones y configuraciones de acero en función de los niveles de tensión y las longitudes de los elementos.

La metodología implica definir estudios de casos, modelar estructuras híbridas transversales y longitudinalmente, formular un problema de optimización para explorar las configuraciones de TLH y establecer restricciones de diseño. El estudio utiliza técnicas de optimización para determinar el número y las posiciones óptimos de los puntos de transición a lo largo del elemento, así como las configuraciones de los materiales para los diferentes tramos de vigas TLH.

Las conclusiones más importantes de este trabajo son las siguientes:

  • El estudio muestra los beneficios económicos de las vigas de acero híbridas transversal-longitudinalmente (TLH) en comparación con los diseños homogéneos tradicionales y optimizados, y muestra una reducción de costos de fabricación de más del 50%.
  • Se ha descubierto que las configuraciones TLH son más eficaces para elementos de mayor envergadura, con recomendaciones específicas para los puntos de transición y las configuraciones de materiales en función de los niveles de tensión.
  • La metodología propuesta ofrece un enfoque de diseño sostenible al optimizar los elementos del TLH para mejorar los índices económicos y las consideraciones ambientales, lo que allana el camino para futuras investigaciones sobre el comportamiento estructural, el análisis conjunto y la implementación más amplia de criterios de sostenibilidad.

Abstract:

I-section girders with different types of steel in the flanges and web (fyf > fyw, respectively) are known as transverse hybrid girders. These have proven to be more economical than their homogeneous counterparts. However, the use of hybrid configurations in the longitudinal direction of the element has yet to be studied. This paper uses optimization techniques to explore the possibility of constructing transverse and longitudinally hybrid (TLH) steel girders. The optimization objective is to minimize the manufacturing cost, including seven activities besides the material cost. The geometrically double symmetric I-girder design subjected to a uniform transverse load is performed using Eurocode 3 specifications. Nine case studies are implemented, varying the element span (L) and the applied load. The results show that establishing various configurations along the length of the element is beneficial. The optimum number of transition points is six, meaning the girder will have four configurations, i.e., one central and three others symmetrically distributed toward each half of the element. The optimum position for the first transition would be at (L/2), the second at (L/2), and the third at (L/2). The optimum extreme configuration is usually homogeneous (fyf = fyw = 235 MPa). The others increase the steel quality in the plates, maintaining hybrid arrangements to reach the central one that usually remains with S700 steel for the flanges and S355 for the web. The study shows that TLH configurations are more effective for elements with larger spans. By applying the formulated design recommendations in a different case study, the manufacturing cost dropped by over 50% compared to the traditionally designed element and by more than 10% relative to the optimized element with a homogeneous configuration. The study’s limitations and encouraging results suggest future lines of research in this area.

Reference:

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.

Como la publicación está en abierto, os la dejo para su descarga.

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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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Características de la construcción mixta de hormigón y acero

El Puente Juan Bravo en Madrid. http://www.dobooku.com/2017/10/el-puente-juan-bravo-en-madrid/

Una pieza mixta esencialmente consta de tres elementos principales:

        • Sección de hormigón: puede contener o no armadura pasiva y/o activa.
        • Sección metálica.
        • Elementos de conexión, también conocidos como conectores.

Gracias a la colaboración entre el hormigón y el acero, la sección mixta experimenta una deformación conjunta, controlando así cualquier deslizamiento relativo entre ambos materiales mediante los conectores.

Todas aquellas acciones diferenciales entre hormigón y acero generan esfuerzos internos y de corte en la interfase que pueden ser significativos y que hay que considerar en proyecto. Algunos de los factores a considerar son la retracción del hormigón, la fluencia, los efectos térmicos, la acción del pretensado, entre otros. Es fundamental analizar y comprobar la estructura frente a los estados límites de servicio.

Desde un punto de vista estructural, la construcción mixta presenta las siguientes características principales:

  • Reducción del espesor en dinteles, especialmente notable en luces más amplias. Esto se debe a la mayor rigidez y resistencia última proporcionada por la sección parcial de hormigón en comparación con una solución completamente metálica. Además, la zona traccionada también es más rígida en comparación con soluciones de hormigón armado y pretensado. En el caso de edificios, esto implica una menor altura de los pisos, lo que se traduce en ahorro de materiales y de instalaciones.
  • Mayor esbeltez de los soportes, lo que incrementa el espacio libre y mejora las condiciones estéticas de la estructura.
  • El aumento de rigidez mejora la capacidad de deformación y respuesta de la estructura frente a cargas dinámicas.

Desde el punto de vista constructivo, las estructuras mixtas ofrece una amplia variedad de tipologías, basadas en los materiales que la componen. Estos tipos constructivos pueden adaptarse según las necesidades prácticas de la ejecución. Algunas opciones a considerar son las siguientes:

  • Secciones de hormigón: se pueden utilizar secciones de hormigón in situ o prefabricadas, que pueden ser de hormigón en masa, armado o pretensado. También es posible emplear hormigón ligero.
  • Secciones metálicas: se pueden emplear perfiles, chapas o tubos metálicos. Estas secciones pueden ser atornilladas o soldadas, y pueden presentarse en formas de alma llena, en celosía o aligeradas. También es posible el uso de secciones metálicas pretensadas. Dichas secciones metálicas pueden estar completamente expuestas o parcial o totalmente empotradas en el hormigón.
  • Conexiones: las conexiones entre los elementos pueden ser parciales o totales. Además, pueden realizarse antes o después del endurecimiento del hormigón, así como antes o después del pretensado del hormigón o del acero.

En la construcción mixta, el proceso constructivo adquiere una importancia destacada, tanto desde el punto de vista analítico-estructural como desde la perspectiva económica. Esto se debe a la existencia de una amplia variedad de cargas previas a las sobrecargas de uso, lo que implica consideraciones adicionales tanto en el análisis estructural como en el aspecto económico.

En las referencias os podéis descargar, gratuitamente, un estado del arte reciente sobre este tipo de estructuras mixtas aplicadas a puentes. Creo que os puede resultar de utilidad. También os dejo un par de vídeos introductorios a las estructuras mixtas que espero os sean de interés.

Referencias:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). Steel-concrete composite bridges: design, life cycle assessment, maintenance and decision making. Advances in Civil Engineering, 2020:8823370. DOI:10.1155/2020/8823370

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