CO2 emission archivos - El blog de Víctor Yepes

Cómo la hibridación de materiales puede recortar un 24% las emisiones de carbono

En este artículo se resumen las ideas principales de un trabajo recientemente aceptado para su publicación en Smart and Sustainable Built Environment. El trabajo es fruto de una colaboración internacional con investigadores brasileños y estudia la optimización topológica multiobjetivo de celosías tubulares híbridas de materiales compuestos, teniendo en cuenta tanto su comportamiento estructural como aspectos de sostenibilidad. Más que reproducir aquí todos los detalles del artículo, se presentan sus planteamientos fundamentales, la metodología empleada y los principales resultados obtenidos.

De acuerdo con el Global Status Report for Buildings and Construction (2020), elaborado por la Alianza Global para la Edificación y la Construcción (GlobalABC) en colaboración con el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UNEP), el sector de la edificación es responsable del 38 % de las emisiones globales de CO₂ asociadas al uso de la energía. De este volumen, un 10 % corresponde directamente al carbono embebido, es decir, a los gases de efecto invernadero emitidos durante la extracción, la fabricación y el transporte de los materiales de construcción. Ante este escenario, la ingeniería civil y la arquitectura se enfrentan a un desafío inaplazable: ¿es posible aumentar sustancialmente la capacidad resistente de una estructura, reducir sus costes de construcción y, al mismo tiempo, disminuir drásticamente su huella de carbono?

Históricamente se ha asumido que elevar las prestaciones mecánicas de un edificio implica un mayor consumo de recursos, lo que encarece la obra y multiplica las emisiones de CO₂. Sin embargo, la aplicación de algoritmos de optimización metaheurística multiobjetivo —como la Optimización por Enjambre de Partículas (Particle Swarm Optimization, PSO) y su variante multiobjetivo (MOPSO)— demuestra de forma contundente que esta aparente incompatibilidad es un mito.

Al integrar la optimización de celosías tubulares híbridas (acero-hormigón) con losas mixtas colaborantes, los algoritmos demuestran que es factible reconfigurar la geometría y la distribución de materiales para lograr ahorros inéditos. A continuación, analizamos los cuatro descubrimientos más impactantes y contraintuitivos extraídos de las investigaciones más recientes sobre optimización estructural sostenible.

1. Materiales más resistentes no significan mayor contaminación: El mito desmontado

A primera vista, la lógica indicaría que prescribir aceros y hormigones de alta resistencia incrementa el impacto ambiental, ya que la fabricación de una unidad de masa o de volumen de estos materiales avanzados genera una mayor cantidad de CO₂ equivalente. No obstante, al analizar el comportamiento global de la estructura, la optimización algorítmica demuestra exactamente lo contrario.

El uso de materiales con prestaciones mecánicas elevadas permite reducir la sección transversal y la masa total de los elementos estructurales, de modo que esa contracción volumétrica compensa con creces el mayor factor de emisión unitario del material. En el caso de las celosías tubulares mixtas, el algoritmo PSO seleccionó sistemáticamente:

Hormigones de relleno para el cordón superior con resistencia a la compresión (f_ck) siempre superior a 40 MPa, alcanzando de forma recurrente valores entre 70 y 90 MPa.
Hibridación dinámica de aceros entre los distintos elementos de la celosía. El algoritmo asigna grados de alta resistencia, como ASTM A913 Gr. 70 o ASTM A572 Gr. 65, a los cordones superior e inferior para maximizar la resistencia al momento flector y a los esfuerzos axiales, mientras optimiza las diagonales y los montantes combinando grados como ASTM A572 Gr. 50, Gr. 60 o Gr. 65, según la solicitación específica de cada barra.

Esta asignación selectiva de propiedades mecánicas aprovecha el relleno de hormigón para evitar el pandeo local y global del cordón tubular superior, lo que permite utilizar perfiles de acero notablemente más esbeltos y livianos en toda la celosía.

«La hibridación de materiales —combinando hormigón de alta resistencia en el cordón superior y diferentes grados de acero asignados dinámicamente según la solicitación de cada barra— maximiza la eficiencia mecánica global. La contracción de la masa total de la estructura supera con frecuencia el impacto ambiental unitario de los materiales de alto rendimiento, logrando un balance de carbono neto marcadamente favorable.»

2. El ‘efecto dominó’ en la losa: reducir 3 centímetros puede recortar casi un cuarto del CO₂

En las estructuras de luces medianas (entre 8 y 24 metros), la losa mixta representa la mayor parte de la masa total de la edificación. Por ello, cualquier mejora geométrica en la losa desencadena un efecto dominó positivo en toda la estructura de soporte.

El diseño tradicional suele recurrir a catálogos comerciales estandarizados y dimensionar la chapa de acero perfilada para resistir por sí sola las cargas durante la fase previa al curado del hormigón. En esta etapa, la chapa metálica actúa únicamente como encofrado perdido. Sin embargo, al incorporar una armadura mínima de refuerzo en los nervios de la losa (por ejemplo, 2 barras de 6,3 mm o 8 mm), se transforma el comportamiento en la fase posterior al curado: esta armadura adicional asume las tensiones de flexión positiva, reduciendo drásticamente la demanda estructural sobre la chapa metálica.

Esta simple adición de acero de refuerzo permite optimizar simultáneamente la geometría de la losa:

El espesor total de la losa se reduce de 140 mm a 110 mm (3 cm menos de hormigón).
El espesor de la chapa de acero perfilada se reduce de 1,25 mm a 0,80 mm.

La razón física por la cual una reducción de tan solo 3 cm de espesor logra recortar las emisiones globales de CO₂ hasta en un 24 % en vanos de 8 metros radica en la distribución de la masa: en vanos cortos, el volumen de hormigón domina la huella de carbono total del sistema y representa entre el 42 % y el 45 % del CO₂ emitido. Aligerar la losa reduce directamente la carga muerta que debe soportar la celosía, lo que se traduce en una reducción en cascada del acero requerido en las barras.

Parámetro y configuración estructural	Comparativa (tradicional de catálogo vs. optimizada con refuerzo)
Espesor total de la losa	De 140 mm (catálogo) a 110 mm (optimizada con refuerzo) — Ahorro de 3 cm
Espesor de la chapa de acero	De 1,25 mm (catálogo) a 0,80 mm (optimizada con refuerzo)
Reducción máxima de CO₂ embebido	Hasta un 24 % de reducción respecto a la solución base en vanos de 8 m

3. Beneficio mutuo estructural: por cada kilo de CO₂ reducido, ahorras 0,76 euros

En la práctica profesional persiste el prejuicio de que el diseño sostenible incrementa necesariamente los costes de construcción. La optimización multiobjetivo desmiente esta premisa al demostrar una sólida correlación lineal entre el coste directo de fabricación e instalación y las emisiones de CO₂ embebido, con un coeficiente de determinación R² = 0,9895.

En el sistema analizado, las soluciones de menor impacto ambiental son, al mismo tiempo, las más económicas. Esto se debe a que los vectores que incrementan el coste (toneladas de acero consumido y metros cúbicos de hormigón vertidos) son idénticos a los factores que disparan la huella de carbono.

Bajo las condiciones del mercado brasileño analizadas en el estudio (datos de enero de 2026), se determinó que por cada kilogramo de CO₂ mitigado mediante la optimización estructural, se obtiene un ahorro económico medio, al cambio actual, de 0,76 euros. Es fundamental precisar que esta cifra no constituye una constante universal, ya que depende de las matrices de costes unitarios, de los factores de emisión regionales y de las tipologías analizadas. Sin embargo, confirma un principio técnico contundente: en celosías tubulares híbridas y en losas mixtas, la sostenibilidad ambiental y la rentabilidad financiera avanzan de forma alineada.

4. Multiplicar la capacidad por 2,5 sin disparar la huella ambiental: la frontera Pareto

Mediante la aplicación del algoritmo MOPSO, es posible trazar la frontera de Pareto, un conjunto de soluciones óptimas en el que resulta imposible mejorar un objetivo (como la capacidad de carga) sin penalizar otro (como las emisiones o el coste).

Para los rangos de carga de servicio habituales en edificaciones residenciales y comerciales (de 2 a 5 kN/m²), los resultados de la frontera Pareto revelan una ganancia de eficiencia sobresaliente:

La capacidad de carga de la losa puede incrementarse hasta 2,5 veces (+150 %) respecto a la solución de capacidad mínima.
Este aumento masivo del rendimiento mecánico requiere solo un aumento modesto del 25 % en las emisiones de CO₂ y del 52 % en el coste de construcción.

Sin embargo, el análisis algorítmico identifica un punto de inflexión crítico. Cuando las demandas de carga superan los 10 kN/m², las penalizaciones económicas y ambientales aumentan de forma fuertemente no lineal. A partir de este umbral, los requerimientos del Estado Límite de Servicio (límites de deflexión L/350) y las elevadas fuerzas axiales en las barras de la celosía obligan a recurrir a perfiles tubulares sensiblemente más pesados y con espesores de pared mayores.

Asimismo, la investigación revela un matiz estructural según la luz del vano: mientras que en luces cortas (8 m) el impacto ambiental está dominado por los materiales de la losa, en luces largas (16 a 24 m) el peso de las barras de acero de la celosía pasa a controlar el balance ambiental, lo que representa entre el 37 % y el 38 % de las emisiones totales de CO₂.

«El trazado de la frontera multiobjetivo de Pareto permite a los proyectistas abandonar la toma de decisiones a ciegas. Proporciona una herramienta racional para seleccionar la combinación precisa de geometría y materiales según los requerimientos reales del proyecto, evitando el sobredimensionamiento y optimizando el equilibrio entre rendimiento, coste e impacto ambiental.»

El futuro del diseño estructural: algoritmos frente a catálogos rígidos

La integración de algoritmos de optimización metaheurística (PSO y MOPSO) con la hibridación de materiales representa un cambio de paradigma en la ingeniería estructural de edificaciones de luz mediana (de 8 a 24 metros). La hibridación de grados de acero en elementos tubulares, combinada con el relleno de hormigón de alta resistencia en el cordón superior y el armado inteligente de la losa mixta, demuestra que es técnicamente viable construir estructuras más resistentes y más económicas, con una huella de carbono significativamente menor.

El diseño estructural moderno ya no necesita quedar supeditado a los límites rígidos de los catálogos comerciales preestablecidos. La optimización algorítmica permite explorar de forma automatizada miles de combinaciones geométricas y de materiales para prescribir la solución exacta que satisface los Estados Límites Últimos y de Servicio con la máxima eficiencia ambiental.

Ante la urgente necesidad de descarbonizar el entorno construido, la interrogante decisiva para proyectistas, consultores y promotores es evidente: ¿está el sector de la edificación preparado para abandonar las recetas tradicionales y dar el salto definitivo al diseño algorítmico orientado a la sostenibilidad?

En esta conversación puedes escuchar las ideas más interesantes sobre esta investigación.

Este vídeo resume bien el contenido del artículo.

Referencia:

ALVES, É.C.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2026). Sustainable Multi-Objective Topology Optimization of Composite Hybrid Tubular Trusses. Smart and Sustainable Built Environment (accepted, in press)

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

Columnas mixtas acero-hormigón: cuando resistir ya no es el único criterio de diseño

Un estudio reciente plantea la optimización simultánea de la resistencia, el coste y las emisiones de CO₂ en columnas tubulares rellenas de hormigón y muestra cómo la geometría, la esbeltez y los materiales pueden modificar la solución óptima.

Acaban de publicar un artículo nuestro en Journal of Composites Science, una de las revistas de impacto científico indexada en el JCR. La investigación se enmarca en el proyecto RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Además, muestra la internacionalización de nuestro grupo de investigación, en este caso, con Brasil. A continuación, se presenta un resumen del trabajo y de la información de contexto.

Durante décadas, el dimensionamiento estructural ha girado en torno a una pregunta directa: ¿qué sección necesitamos para resistir las acciones previstas? Hoy esa pregunta sigue siendo imprescindible, pero ya no agota el problema. El coste de los materiales y su impacto ambiental están teniendo un impacto progresivo en las decisiones de los proyectos.

Las columnas tubulares de acero rellenas de hormigón constituyen un buen campo de estudio para esta cuestión. El perfil de acero aporta resistencia y confinamiento, mientras que el hormigón contribuye a la capacidad resistente y a la rigidez del conjunto. Existen, sin embargo, muchas formas de alcanzar una determinada resistencia: modificar la geometría, mejorar la calidad de los materiales o incorporar armadura adicional.

El trabajo de Lourenção et al. aborda estas alternativas mediante un procedimiento de optimización multiobjetivo aplicado a columnas tubulares mixtas con secciones circulares, cuadradas y rectangulares. El objetivo es analizar conjuntamente la capacidad resistente, el coste y las emisiones de CO₂ incorporadas.

De dimensionar una sección a explorar un espacio de soluciones

La principal aportación del estudio radica en plantear el diseño como un problema de búsqueda. Los autores permiten que el modelo modifique la geometría de la sección, las propiedades de los materiales y la disposición de la armadura dentro de un espacio de diseño previamente definido.

La herramienta empleada es Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO), una extensión del algoritmo PSO orientada a problemas con múltiples objetivos. El procedimiento genera soluciones de Pareto: alternativas en las que mejorar uno de los objetivos implica, por lo general, penalizar el otro.

El estudio utiliza, además, métricas de Minkowski y la teoría de la entropía para analizar y seleccionar alternativas dentro de ese conjunto. De esta forma, el resultado no es una única sección supuestamente óptima, sino un conjunto de soluciones que permiten valorar distintos compromisos entre resistencia, coste y emisiones.

Qué variables entran en el cálculo

El espacio de búsqueda incluye perfiles tubulares circulares, cuadrados y rectangulares del catálogo de Vallourec. También se modifican la resistencia característica del hormigón, la calidad del acero y, cuando corresponde, la cantidad y el diámetro de las barras longitudinales.

El hormigón se estudia entre 25 y 90 MPa, con barras de 10, 12,5, 16 y 20 mm y diferentes calidades de acero estructural. La inclusión de hormigones de alta resistencia permite estudiar si una mayor resistencia del material puede compensar su mayor coste mediante una reducción de la cantidad total de material.

Este punto requiere cierta cautela. El artículo señala que la ABNT NBR 8800:2024 limita la resistencia característica del hormigón en los elementos mixtos a 50 MPa. Las soluciones por encima de ese valor tienen, por tanto, un carácter exploratorio en el estudio.

Las tres funciones objetivo son la capacidad resistente, el coste de los materiales y las emisiones de CO₂ asociadas al hormigón, al perfil de acero y a la armadura.

Qué se ha validado realmente

Antes de aplicar la optimización, los autores contrastan la formulación empleada para calcular la capacidad resistente con seis probetas experimentales publicadas por Ibáñez et al. (2021).

Son columnas tubulares rellenas de hormigón sin armadura longitudinal adicional, con secciones circulares, cuadradas y rectangulares, una longitud de 30 cm y apoyos articulados en ambos extremos. Las cargas últimas experimentales se comparan con las obtenidas mediante el Eurocódigo 4, el AISC y la formulación basada en la ABNT NBR 16239 empleada en el estudio.

La relación media N_exp / N_NBR16239es 1,01. Los valores medios correspondientes a Eurocódigo 4 y a AISC son 0,92 y 1,09, respectivamente. Los resultados individuales muestran diferencias entre las probetas, especialmente en algunas secciones circulares.

La precisión metodológica es importante: esta comprobación respalda la formulación empleada para estimar la resistencia, pero no constituye una validación experimental del algoritmo MOPSO ni de las soluciones de coste y de emisiones. Tampoco cubre directamente el comportamiento de las columnas de 3, 4 y 5 m analizadas en la optimización, ya que las probetas experimentales tienen 30 cm de longitud.

Qué encuentra la optimización

Los resultados muestran que las configuraciones sin armadura longitudinal adicional suelen presentar emisiones menores que sus equivalentes armadas. Aunque la armadura incrementa la capacidad resistente, añade acero y, con ello, coste y emisiones.

El empleo de hormigones de mayor resistencia puede alterar ese equilibrio. En determinadas soluciones sin armadura, los hormigones de 60 y 90 MPa permiten reducir la cantidad total de material y las emisiones. En los casos estudiados, las reducciones alcanzan hasta aproximadamente el 16 %.

La geometría tampoco mantiene una posición constante. El estudio analiza columnas de 3, 4 y 5 m y observa que el aumento de la longitud de la columna incrementa las emisiones. Los autores cuantifican un aumento medio de aproximadamente el 35 % en las columnas de 4 m y del 73 % en las de 5 m respecto de las soluciones de 3 m.

La explicación se relaciona con la mayor demanda de material asociada a la esbeltez y con las restricciones adicionales de resistencia y estabilidad. Además, la sección que presenta las menores emisiones varía según las cargas y la longitud consideradas.

Qué aporta el frente de Pareto

La representación mediante frentes de Pareto permite visualizar el compromiso entre los tres objetivos. Una solución puede ofrecer mayor capacidad resistente, pero a costa de un mayor coste y de mayores emisiones; otra puede reducir el impacto ambiental a costa de una menor capacidad o de otras penalizaciones.

Entre los nueve escenarios analizados mediante el procedimiento multicriterio, las secciones cuadradas sin armadura longitudinal adicional ocupan la primera posición en ocho de ellos. La excepción corresponde a una columna de 4 m sometida a flexión biaxial, en la que la alternativa rectangular con armadura adicional ocupa dicha posición.

Estos resultados corresponden al conjunto concreto de cargas, longitudes, materiales y criterios considerados. No permiten establecer una regla general según la cual una determinada geometría sea siempre preferible.

Utilidad práctica de la investigación

La aplicación más interesante del procedimiento radica en el predimensionamiento y en la comparación sistemática de alternativas. En lugar de seleccionar una sección y modificarla mediante iteraciones sucesivas, el ingeniero puede definir un conjunto de soluciones admisibles y explorar simultáneamente la geometría, los materiales y la armadura. Esto puede ser especialmente útil en estructuras con numerosas columnas similares, donde pequeñas diferencias en el consumo de acero u hormigón pueden acumularse y generar efectos relevantes.

El modelo, sin embargo, no sustituye las comprobaciones habituales del proyecto. El estudio no incorpora como criterios independientes la constructibilidad, la ductilidad, la resistencia al fuego ni determinadas condiciones de servicio. Tampoco realiza un análisis de ciclo de vida completo: el indicador ambiental se limita a las emisiones incorporadas de los materiales considerados. Los resultados ambientales dependen de los factores de emisión adoptados, mientras que la selección multicriterio depende del procedimiento utilizado para comparar las alternativas.

La metodología es potencialmente transferible al proyecto español, pero los resultados numéricos no pueden trasladarse directamente. El estudio utiliza normativa, perfiles comerciales, precios y datos ambientales pertinentes al contexto brasileño. Para aplicarlo en España, habría que adaptar el espacio de búsqueda a los perfiles disponibles, a los materiales y precios reales, a los datos ambientales del suministro y a la normativa aplicable. También habría que incorporar las condiciones concretas de ejecución, de fuego, de durabilidad, de uniones, de estabilidad global y de servicio.

Por tanto, la transferencia más interesante no consiste en adoptar directamente una de las secciones seleccionadas por el estudio, sino en reproducir el procedimiento con datos y restricciones propios del proyecto. Esa es probablemente la principal utilidad profesional del trabajo: disponer de una metodología capaz de explorar conjuntamente la resistencia, el coste y las emisiones antes de fijar definitivamente la solución estructural.

Referencia:

LOURENÇÃO, J.S.; KRIPKA, M.; YEPES, V.; ALVES, É.C. (2026). Multi-Objective Comparative Analysis of High-Strength Steel–Concrete Composite Columns. Journal of Composites Science, 10(10):517. DOI:10.3390/jcs10100517

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

Lo que los puentes nos enseñan sobre el futuro de la sostenibilidad.

Puente de Brooklyn. https://www.nuevayork.net/puente-brooklyn

Cuando pensamos en un puente, solemos verlo como una maravilla de la ingeniería, un símbolo de conexión y progreso. Es una estructura que nos lleva de un punto a otro, superando un obstáculo. Sin embargo, detrás de esa aparente simplicidad se esconde un desafío monumental: construir un puente que no solo sea funcional y seguro, sino también sostenible.

Esta tarea es mucho más compleja de lo que parece. La sostenibilidad en ingeniería no se reduce a marcar una casilla, sino que implica un complejo proceso de toma de decisiones para conciliar los objetivos a menudo contrapuestos de la economía, el medio ambiente y la sociedad. Esta complejidad es el tema central de un profundo estudio académico titulado A Review of Multi-Criteria Decision-Making Methods Applied to the Sustainable Bridge Design, que analiza 77 artículos de investigación publicados a lo largo de 25 años para comprender cómo toman los expertos estas decisiones cruciales.

Este artículo recoge las lecciones más impactantes y, en ocasiones, sorprendentes, de esa exhaustiva investigación. En él descubriremos qué aspectos dominan el debate sobre los puentes sostenibles, qué puntos ciegos persisten y cómo están evolucionando las herramientas para diseñar las infraestructuras del futuro.

Las 5 lecciones más sorprendentes sobre los puentes sostenibles.

El análisis de décadas de investigación revela patrones inesperados y desafíos ocultos en la búsqueda de la infraestructura perfecta. A continuación, exploramos los cinco hallazgos más sorprendentes.

Ecoducto en la Autopista A6 Austria-Eslovaquia. https://blogs.upm.es/puma/2019/01/14/ecoductos-puentes-verdes-para-la-fauna/

Lección 1: «Sostenible» no solo significa «ecológico», sino que es un delicado equilibrio a tres bandas.

La palabra «sostenible» a menudo se asocia exclusivamente con el medio ambiente. Sin embargo, el estudio subraya que la verdadera sostenibilidad se apoya en tres pilares fundamentales: los factores económicos (coste y mantenimiento), los ambientales (emisiones de CO₂ e impacto en el ecosistema) y los sociales (seguridad, impacto en la comunidad y estética).

Estos tres pilares suelen tener objetivos contrapuestos. Un material más barato puede tener un mayor impacto ambiental. Un diseño que minimice las molestias a la comunidad podría ser mucho más costoso. Lograr un consenso entre ellos es un acto de equilibrio complejo. Curiosamente, el estudio revela que los factores sociales son los menos estudiados y comprendidos de los tres. Esta brecha de conocimiento no es solo una curiosidad académica, sino una de las barreras más significativas que nos impiden conseguir infraestructuras que sirvan de verdad a la sociedad a largo plazo.

Lección 2: Nos obsesiona cómo viven los puentes, pero ignoramos cómo mueren.

El ciclo de vida de un puente abarca desde su diseño y construcción hasta su demolición o reciclaje final. El estudio presenta una estadística demoledora sobre en qué fase del ciclo de vida se centra la atención de los investigadores. De los 77 artículos analizados, un abrumador 68,83 % se centra en la fase de «operación y mantenimiento».

En un drástico contraste, solo un minúsculo 2,6 % de los estudios se dedica a la fase final de «demolición o reciclaje». Esta enorme diferencia pone de manifiesto una importante laguna. La investigación sugiere que esto podría deberse a que la fase final se percibe como de «menor impacto general». Sin embargo, a medida que la sostenibilidad se convierte en una preocupación primordial, esta suposición se está poniendo en tela de juicio, lo que nos obliga a considerar el impacto completo de nuestra infraestructura, desde su concepción hasta su eliminación.

Lección 3: La ingeniería de vanguardia a veces necesita lógica «difusa»

Dado que la investigación está tan fuertemente sesgada hacia la fase de mantenimiento, es lógico que las herramientas más populares sean las que mejor se adaptan a sus desafíos únicos. Esto nos lleva a una paradoja fascinante en la ingeniería: en un campo tan preciso, podría parecer contradictorio utilizar un método llamado «lógica difusa» (fuzzy logic). Sin embargo, el estudio la identifica como una de las herramientas más populares, ¿la razón? Muchas decisiones críticas se basan en información cualitativa, incierta o subjetiva.

https://www.linkedin.com/pulse/l%C3%B3gica-difusa-gabriel-mar%C3%ADn-d%C3%ADaz/

Una inspección visual para evaluar el estado de una estructura, por ejemplo, no proporciona un número exacto, sino una apreciación experta que puede contener vaguedad («ligero deterioro», «corrosión moderada»). La lógica difusa permite a los sistemas informáticos procesar esta «incertidumbre o vaguedad» del lenguaje humano y convertirla en datos matemáticos para tomar decisiones más sólidas. Es una fascinante paradoja: utilizar un concepto que suena impreciso para tomar decisiones de ingeniería de alta tecnología con mayor fiabilidad.

Lección 4: Las herramientas que usamos para decidir no son infalibles.

Para tomar decisiones tan complejas, los ingenieros utilizan «métodos de decisión multicriterio» (MCDM). Sin embargo, el estudio advierte de que los métodos tradicionales tienen importantes limitaciones. Imagínese que tiene que elegir un nuevo material para un puente. Esa única elección afecta simultáneamente al coste final, a la durabilidad de la estructura y a su huella de carbono. Estos factores están profundamente interconectados. No obstante, una limitación significativa de las herramientas tradicionales de toma de decisiones es que suelen partir de la poco realista suposición de que estos criterios son independientes entre sí. Ignorar estas interdependencias puede llevar a soluciones subóptimas.

Los métodos tradicionales de toma de decisiones suelen partir de supuestos poco realistas en relación con los problemas del mundo real, como la independencia de los criterios, la agregación lineal o la elección de la mejor alternativa entre un conjunto fijo en lugar de la alternativa que permita alcanzar los niveles de aspiración deseados.

Lección 5: el futuro no consiste en elegir la «mejor» opción, sino en alcanzar la «meta» deseada.

Este último punto supone un cambio de paradigma. Los métodos de decisión tradicionales funcionan como un concurso: se presenta una lista fija de alternativas (puente de acero, de hormigón o mixto) y el método las clasifica para seleccionar la «mejor».

Sin embargo, los nuevos métodos híbridos que están surgiendo proponen un enfoque diferente. En lugar de elegir simplemente una opción de una lista, buscan soluciones que alcancen «niveles de aspiración» o metas predefinidas. Por ejemplo, el objetivo podría ser diseñar un puente que no supere un coste X, no genere más de Y toneladas de CO₂ y tenga una vida útil de Z años. Este cambio de un modelo de «el mejor de la clase» a otro de «cumplir el objetivo» transforma fundamentalmente el desafío de la ingeniería. Transforma la tarea de seleccionar de un catálogo de opciones en inventar activamente nuevas soluciones que puedan satisfacer múltiples objetivos de sostenibilidad, a menudo contradictorios.

Conclusión: un puente hacia el futuro.

El viaje hacia la construcción de puentes verdaderamente sostenibles nos enseña que la ingeniería moderna es mucho más que cálculos y materiales. Se trata de un proceso de toma de decisiones dinámico, lleno de matices, compensaciones y una profunda reflexión sobre el impacto a largo plazo de nuestras creaciones. No se trata de seguir una simple lista de verificación «verde», sino de navegar por una compleja red de factores económicos, sociales y medioambientales en constante tensión.

El camino a seguir, iluminado por esta investigación, está claro. Debemos ampliar nuestra definición de sostenibilidad más allá de lo puramente ecológico para valorar adecuadamente el impacto social. Debemos diseñar para la demolición con la misma seriedad con la que diseñamos para la durabilidad. Además, debemos adoptar herramientas nuevas y más sofisticadas que reflejen la realidad interconectada de estas complejas decisiones. La próxima vez que cruces un puente, ¿solo verás una estructura de acero y hormigón o el resultado de un complejo debate entre economía, sociedad y medio ambiente?

Os dejo este audio donde podéis aprender más sobre el tema.

En este vídeo se resumen las ideas más interesantes de este artículo.

Referencia:

PENADÉS-PLÀ, V.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2016). A review of multi-criteria decision making methods applied to the sustainable bridge design. Sustainability, 8(12):1295

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

Pasarelas peatonales sostenibles: cómo optimizar su diseño para reducir costes económicos y ambientales

Este artículo se centra en la aplicación práctica de la evaluación del ciclo de vida (LCA) para optimizar el impacto ambiental y los costes de los puentes peatonales compuestos de acero y hormigón. Los autores utilizan el algoritmo de búsqueda de armonía multiobjetivo (MOHS) para identificar soluciones de diseño que minimicen simultáneamente las emisiones de CO₂, la energía incorporada y los costes de construcción. Los resultados muestran una relación directa y lineal entre el coste, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada, lo que sugiere que las soluciones económicamente eficientes también son beneficiosas para el medio ambiente. Se analizan escenarios alternativos, como variaciones en la resistencia del hormigón y fluctuaciones en el precio de los materiales, para evaluar su impacto en los resultados de la optimización. En última instancia, el estudio demuestra la eficacia de combinar la optimización estructural con la evaluación del ciclo de vida para fomentar un diseño de infraestructura más sostenible.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Se trata de una colaboración internacional de nuestro grupo con investigadores brasileños. A continuación se recoge un resumen sintético del trabajo.

El sector de la construcción es uno de los que más recursos consume y más emisiones de gases de efecto invernadero genera. Según el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, este sector consume alrededor del 34 % de la energía mundial y es responsable de aproximadamente el 37 % de las emisiones de CO₂. Ante esta realidad, mejorar la sostenibilidad de las infraestructuras es fundamental para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la ONU. En este contexto, el artículo «Aplicación práctica de la evaluación del ciclo de vida para optimizar el impacto ambiental de los puentes peatonales de acero y hormigón», de Fernando Luiz Tres Junior y colaboradores, muestra cómo la combinación de la optimización estructural multiobjetivo y la evaluación del ciclo de vida permite diseñar un puente peatonal que reduce simultáneamente su coste económico, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada, sin sacrificar la seguridad ni la funcionalidad.

El trabajo aporta varias conclusiones relevantes. Una de las más importantes es que los objetivos de minimizar el coste y el impacto ambiental no son opuestos, sino que las soluciones más baratas también son más sostenibles. Además, el estudio cuantifica con precisión la relación entre estos factores, por lo que es posible estimar cómo varía el impacto ambiental en función del presupuesto. Otra aportación destacable es la validación práctica de la metodología: la combinación de técnicas de optimización y bases de datos de evaluación del ciclo de vida (LCA, por sus siglas en inglés) conduce a soluciones óptimas y robustas, incluso ante cambios en parámetros como la resistencia del hormigón o las fluctuaciones de precios.

El caso de estudio consiste en un puente peatonal de 17,5 m de luz y 3 m de ancho ubicado en el sur de Brasil. La estructura combina vigas de acero soldadas y una losa de hormigón armado, unidas mediante conectores de corte. Las variables de diseño incluyen el espesor y la resistencia del hormigón, las dimensiones de las vigas de acero y el grado de interacción entre ambos materiales. Estas variables pueden adoptar distintos valores discretos, lo que da lugar a más de 700 000 millones de combinaciones posibles. El objetivo de la optimización es hallar las mejores soluciones en términos de coste económico, emisiones de CO₂ y energía incorporada, cumpliendo siempre con la normativa brasileña sobre seguridad estructural y confort frente a vibraciones.

Para evaluar el impacto ambiental de los materiales, los autores utilizaron dos bases de datos. En el caso del acero de las vigas, utilizaron una base de datos internacional, que contiene datos globales sobre emisiones y consumo de energía. En el caso del hormigón y las armaduras, recurrieron a datos locales de producción del sur de Brasil. Además, analizaron dos escenarios alternativos para comprobar la solidez de las soluciones: uno con hormigón de menor resistencia (20 MPa en lugar de 40 MPa) y otro con precios más altos para los materiales (como ocurrió durante la pandemia en 2022).

Todas las soluciones se verificaron para garantizar que cumplían los requisitos normativos de seguridad y servicio, incluidos los estados límite últimos, las deformaciones y las vibraciones. Las soluciones que no superaban estas comprobaciones eran penalizadas y el algoritmo de optimización las descartaba. Para la optimización, utilizaron el algoritmo Multiobjective Harmony Search (MOHS), inspirado en la improvisación musical, que busca soluciones que «armonizan» los distintos objetivos. Este algoritmo genera y mejora iterativamente las soluciones hasta construir la denominada «frontera de Pareto», que recoge las mejores alternativas posibles sin que ninguna sea mejor en todos los objetivos a la vez.

Los resultados muestran que estos tres objetivos —coste, emisiones de CO₂ y energía incorporada— están estrechamente relacionados y no entran en conflicto entre sí. Se evita la emisión de 1 kg de CO₂ por cada 6,56 reales brasileños ahorrados por metro de puente, y se reducen 1 MJ de energía por cada 0,70 reales. Además, por cada 9,3 MJ ahorrados se evita la emisión de 1 kg de CO₂. Estas relaciones lineales reflejan que, al reducir el consumo de materiales, se consigue simultáneamente un ahorro económico y un menor impacto medioambiental.

Las soluciones óptimas obtenidas tienen características muy similares entre sí. La losa de hormigón tiene un espesor de 12 cm y la viga de acero mide aproximadamente 860 mm de altura, con un espesor del alma de 6,35 mm, y mantiene la clásica proporción luz/altura cercana a 20. La anchura de las alas superior e inferior de la viga varía, siendo la inferior más ancha y gruesa. En todos los casos, la interacción entre el acero y el hormigón es completa (grado de interacción igual a 1).

Al considerar el escenario con hormigón de menor resistencia, se observó un aumento del coste total del 3 %, debido a que fue necesario añadir más acero para compensar la menor resistencia del hormigón. En cuanto al impacto ambiental, las emisiones de CO₂ apenas se redujeron (menos de un 1 %), mientras que la energía incorporada aumentó alrededor de un 4 %. En el escenario con precios más altos de los materiales, se obtuvieron dos soluciones óptimas: una más barata, pero con mayores emisiones, y otra más cara y sostenible. En ambos casos, las diferencias entre las soluciones fueron pequeñas y se mantuvo la relación lineal entre los objetivos.

En conclusión, este trabajo demuestra que es posible diseñar puentes peatonales más económicos y sostenibles combinando optimización estructural y LCA. La reducción del consumo de materiales no solo abarata la estructura, sino que también disminuye las emisiones de CO₂ y la energía incorporada. Además, el uso de hormigón de alta resistencia reduce la cantidad de acero necesaria, lo que tiene un impacto positivo en el coste y la sostenibilidad. Las soluciones óptimas resultaron muy similares al modificar las condiciones del diseño o del mercado, lo que confirma la solidez de la metodología.

Este tipo de estudios es especialmente valioso en los países en desarrollo, donde las necesidades de infraestructuras son elevadas y los recursos económicos, limitados. El diseño de estructuras asequibles y sostenibles contribuye al desarrollo regional y a la lucha contra el cambio climático. Los autores recomiendan ampliar futuras investigaciones para incluir también el impacto social y considerar así los tres pilares de la sostenibilidad: el económico, el ambiental y el social. También recomiendan analizar el ciclo de vida completo de la estructura, incluyendo el mantenimiento y la demolición. Por último, esta metodología podría aplicarse fácilmente a otros tipos de infraestructuras, como puentes para vehículos o edificios.

En definitiva, este trabajo no solo muestra cómo reducir costes y emisiones en un puente peatonal concreto, sino que también abre la puerta a un diseño más sostenible de nuestras infraestructuras. Es un claro ejemplo de cómo la ingeniería civil puede ser una aliada clave en el desarrollo sostenible.

Referencia:

Tres Junior, F.L., Yepes, V., de Medeiros, G.F., Kripka, M. (2025). Practical Application of LCA to Optimize Environmental Impacts of Steel–concrete Footbridges. In: Brandli, L., Rosa, F.D., Petrorius, R., Veiga Avila, L., Filho, W.L. (eds) The Contribution of Life Cycle Analyses and Circular Economy to the Sustainable Development Goals. World Sustainability Series. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-85300-5_22

Glosario de términos clave

Evaluación del ciclo de vida (LCA): Una metodología para estimar los impactos ambientales resultantes de la fabricación de un producto o servicio, examinando cada etapa de su ciclo de vida, desde la extracción de recursos naturales hasta su eliminación.
Emisiones de CO2: La cantidad de dióxido de carbono liberada a la atmósfera, utilizada como un criterio clave para evaluar el impacto ambiental en este estudio.
Energía incorporada: La suma total de energía necesaria para producir un producto, desde la extracción de las materias primas hasta el final del proceso de fabricación, utilizada como otro criterio de impacto ambiental.
Optimización multi-objetivo: Un proceso de optimización que considera múltiples funciones objetivo que deben minimizarse o maximizarse simultáneamente. Produce un conjunto de soluciones no dominadas o Pareto-óptimas.
Algoritmo de búsqueda de armonía multi-objetivo (MOHS): Un algoritmo metaheurístico basado en la improvisación musical, adaptado para resolver problemas de optimización multi-objetivo.
Pasarela mixta de hormigón y acero: Una estructura que combina elementos de acero y hormigón de manera que trabajen juntos como una sola unidad para soportar cargas, aprovechando las fortalezas de ambos materiales.
Frontera de Pareto: Una representación gráfica que conecta el conjunto de soluciones no dominadas (Pareto-óptimas) en un problema de optimización multi-objetivo, lo que permite analizar las compensaciones entre los objetivos.
Solución no dominada (Pareto-Óptima): Una solución para la cual no existe otra solución admisible que mejore simultáneamente todas las funciones objetivo. Mejorar un objetivo solo es posible a expensas de al menos otro.
Grado de interacción (α): Una variable de diseño en vigas compuestas que representa el nivel de conexión entre el acero y el hormigón, influyendo en su comportamiento estructural combinado.
Estado límite último (ULS): Verificaciones relacionadas con la capacidad de la estructura para resistir las cargas máximas sin colapsar, incluyendo la tensión de cizallamiento y el momento de flexión.
Estado límite de servicio (SLS): Verificaciones relacionadas con el rendimiento de la estructura bajo cargas normales para garantizar la comodidad y la funcionalidad, como la limitación de los desplazamientos y las aceleraciones.
Penalización: Un método utilizado en algoritmos de optimización para hacer que las soluciones que no cumplen con las restricciones de diseño sean menos atractivas para el algoritmo, agregando un valor a la función objetivo.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Se identifican tres áreas clave para futuras investigaciones:

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

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

Referencia:

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

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

Pincha aquí para descargar

Optimización estructural multiobjetivo en edificios: cómo reducir costos y emisiones con vigas de sección variable

Acaban de publicar nuestro artículo en la revista Energy and Buildings, de la editorial Elsevier, indexada en D1 del JCR. El estudio presenta una tipología estructural compuesta que combina columnas de hormigón armado con vigas de acero de sección variable híbrida transversal (THVS) para optimizar el coste económico, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada en la construcción de edificios.

Este trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal, junto con el profesor Julián Alcalá, en la Universitat Politècnica de València.

El estudio plantea la siguiente pregunta de investigación: ¿en qué medida la optimización del diseño estructural de edificios en marco mediante el uso de una tipología compuesta con columnas de hormigón armado y vigas de sección variable transversamente híbridas (THVS) contribuye a la reducción del coste económico, de las emisiones de CO₂ y de la energía incorporada en la construcción?

Esta formulación permite abordar de manera precisa la problemática del impacto ambiental y económico del sector de la construcción, orientando la investigación hacia la identificación de configuraciones estructurales que minimicen estos factores mediante metodologías de optimización. La pregunta define claramente el problema central: la búsqueda de una alternativa estructural más eficiente que las tipologías tradicionales de hormigón armado.

Metodología

El estudio adopta un enfoque de optimización estructural basado en la combinación de Biogeography-Based Optimization (BBO) y Constrained Deterministic Local Iterative Search (CDLIS). Este enfoque permite buscar de manera eficiente soluciones en un espacio de diseño altamente complejo. Se analizan tres tipologías estructurales:

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

Las funciones objetivo optimizadas incluyen:

Coste económico: Calculado con base en los precios unitarios de materiales y procesos constructivos.
Emisiones de CO₂(e): Evaluadas según un enfoque «cradle-to-site», considerando la extracción de materias primas, fabricación y construcción.
Energía incorporada: Calculada en términos de consumo energético total en las fases de producción y construcción.

Se tienen en cuenta restricciones estructurales y de servicio según las normativas de diseño. Además, se implementa la interacción suelo-estructura mediante un modelo de tipo Winkler para evaluar los asentamientos diferenciales y su efecto en el diseño estructural.

Aportaciones relevantes

La tipología compuesta con vigas THVS y conexiones rígidas logra una reducción del 6 % en costes económicos, del 16 % en emisiones de CO₂ y del 11 % en energía incorporada para edificios con luces de 4 m.
Para edificios con luces de 8 m, la configuración con uniones articuladas permite reducir los costos económicos y las emisiones en un 5 % y un 6 %, respectivamente, aunque con un mayor consumo de energía.
Se demuestra que la menor carga axial transmitida por las vigas THVS reduce las solicitaciones en columnas y cimentaciones, lo que optimiza su diseño y reduce su impacto ambiental.
Se comprueba que el uso de acero de mayor calidad en las alas de las vigas THVS en comparación con el alma mejora la eficiencia estructural, con razones de hibridación (Rh) entre 1,2 y 2,0.

Discusión de resultados

El análisis de los resultados revela diferencias significativas entre las configuraciones estructurales. En los edificios con luces reducidas (4 m), las vigas THVS con uniones rígidas ofrecen el mejor rendimiento en términos de coste y sostenibilidad. En cambio, en edificios con luces mayores (8 m), las conexiones articuladas permiten un mejor aprovechamiento del material, aunque con una menor rigidez global.

Cabe destacar que la consideración de elementos de rigidización adicionales, como muros y losas, mejora notablemente el comportamiento de la tipología articulada, reduciendo su impacto ambiental en un 45 % y disminuyendo en un 60 % la carga axial sobre las columnas.

Líneas futuras de investigación

Perfeccionamiento del proceso de fabricación de vigas THVS, abordando aspectos como soldadura, control de calidad y optimización de ensamblaje.
Desarrollo de conexiones híbridas entre vigas THVS y columnas de hormigón armado, mejorando la eficiencia de transferencia de cargas.
Exploración de configuraciones mixtas de soporte, optimizando la selección de conexiones fijas o articuladas según las características del edificio.
Evaluación del comportamiento ante cargas dinámicas y sísmicas, considerando efectos de fatiga y estabilidad estructural.
Implementación de metamodelos para optimización computacional, reduciendo el tiempo de cálculo en simulaciones de alta fidelidad.

Conclusión

La optimización del diseño estructural de edificios en marco mediante el uso de vigas THVS permite reducir costes y mejorar la sostenibilidad ambiental. Las configuraciones con conexiones rígidas son particularmente eficientes en luces cortas, mientras que las conexiones articuladas son una alternativa viable en luces mayores cuando se combinan con elementos de rigidización adicionales. Estos hallazgos abren nuevas líneas de investigación en la aplicación y mejora de sistemas estructurales compuestos en ingeniería civil.

Referencia:

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2025). Design optimization of a composite typology based on RC columns and THVS girders to reduce economic cost, emissions, and embodied energy of frame building construction. Energy and Buildings, 336:115607. DOI:10.1016/j.enbuild.2025.115607

Técnica innovadora optimiza estructuras de hormigón y reduce emisiones de CO₂ al considerar la interacción suelo-estructura

El artículo científico, titulado «Metamodel-assisted meta-heuristic design optimization of reinforced concrete frame structures considering soil-structure interaction» y publicado recientemente en Engineering Structures, una de las revistas de mayor impacto en ingeniería civil, aborda un desafío clave en la ingeniería estructural: cómo optimizar el diseño de estructuras de hormigón armado para minimizar su impacto ambiental, con especial atención a la reducción de las emisiones de CO₂.

Esta investigación es el resultado de una colaboración internacional realizada en el marco de los proyectos HYDELIFE y RESILIFE, cuyo investigador principal es Víctor Yepes, y de una colaboración entre investigadores de Cuba, Brasil y España.

Contexto de la investigación

La optimización estructural ha sido ampliamente explorada en las últimas décadas debido a la creciente necesidad de reducir los costes de construcción y el consumo de materiales, todo ello mientras se minimiza el impacto ambiental. En el caso de las estructuras de hormigón armado, que son esenciales en la construcción de edificios y obras de infraestructura, optimizar su diseño conlleva implicaciones significativas en cuanto al ahorro de recursos y la reducción de las emisiones de CO₂.

Los problemas de optimización estructural pueden resolverse mediante métodos exactos, como la programación matemática, o mediante métodos heurísticos que imitan procesos naturales (como la evolución genética o el comportamiento de enjambres). Aunque los métodos heurísticos son más eficientes para problemas complejos y no lineales, como los que involucran grandes estructuras tridimensionales, requieren un alto coste computacional. Para abordar este problema, los autores proponen el uso de metamodelos, modelos simplificados que permiten realizar simulaciones con un consumo de recursos computacionales mucho menor sin sacrificar demasiada precisión. En este estudio, se utiliza un metamodelo basado en Kriging, una técnica que permite aproximar el comportamiento de estructuras complejas.

Además, el estudio introduce una novedad crucial: la incorporación de la interacción suelo-estructura (SSI, por sus siglas en inglés) al modelado. Esta interacción, que a menudo se ignora en los modelos tradicionales, afecta significativamente al comportamiento de la superestructura (el marco de hormigón). Ignorarla puede dar lugar a diseños menos precisos que no consideran los asentamientos diferenciales del suelo, lo que puede provocar tensiones adicionales y un mayor deterioro de las estructuras con el tiempo.

Metodología

La investigación emplea un enfoque combinado de optimización heurística convencional y de una estrategia basada en Kriging para optimizar marcos espaciales de hormigón armado. El objetivo es reducir las emisiones de CO₂ de las estructuras optimizadas, en línea con los esfuerzos para disminuir el impacto ambiental del sector de la construcción. El estudio incluye tres estudios de caso, cada uno con diferentes configuraciones estructurales (variando la longitud de los vanos y el número de niveles de las estructuras) para generalizar los resultados.

El elemento clave de esta investigación es la incorporación de la interacción suelo-estructura, que influye en el comportamiento global del sistema. Los autores utilizan un modelo de Winkler, que representa el suelo como un conjunto de resortes con rigidez variable según sus características, y lo aplican a dos tipos de suelo: uno cohesivo y otro granular. Esta diferenciación es importante porque cada tipo de suelo responde de manera distinta a las cargas, lo que provoca asentamientos que, en última instancia, inciden en las tensiones de la superestructura. La plataforma CSi-SAP2000 se utilizó como motor de cálculo, mientras que el análisis geotécnico y estructural se integró mediante MATLAB.

Resultados

Uno de los hallazgos más destacados del estudio es que la inclusión de la interacción suelo-estructura modifica significativamente los diseños estructurales. En general, las estructuras diseñadas teniendo en cuenta la interacción suelo-estructura requieren más material (mayores cantidades de hormigón y acero), lo que refleja el aumento de las tensiones debido a los asentamientos diferenciales. Por ejemplo, en comparación con un modelo con soportes rígidos ideales, las estructuras que consideran la interacción suelo-estructura muestran un aumento del 12,03 % en las emisiones de CO₂ en suelos cohesivos y hasta del 18,81 % en suelos friccionales.

Los elementos estructurales más afectados por la interacción suelo-estructura son las columnas. Esto se debe a que los asentamientos diferenciales incrementan los momentos flectores en las columnas, lo que requiere un refuerzo adicional y secciones más grandes para resistir las nuevas tensiones. En algunos casos, las emisiones de CO₂ asociadas a las columnas aumentaron más del 60 % al considerar la interacción con el suelo. Los resultados son especialmente marcados en suelos granulares, donde los asentamientos diferenciales son más pronunciados.

Además, la metodología basada en metamodelos, asistida por la técnica de Kriging, demostró ser eficaz para lograr optimizaciones con un alto grado de precisión (hasta un 98,24 % en suelos cohesivos y un 98,10 % en suelos granulares), lo que redujo el tiempo de cálculo en aproximadamente un 90 % en comparación con los métodos heurísticos convencionales.

Implicaciones

Este estudio tiene importantes implicaciones prácticas para el diseño de estructuras de hormigón armado. La inclusión de la interacción suelo-estructura permite obtener diseños más robustos y precisos, lo que reduce el riesgo de fallos prematuros y la necesidad de costosos trabajos de mantenimiento a largo plazo. Los modelos que no tienen en cuenta la interacción suelo-estructura pueden dar como resultado estructuras que inicialmente parecen eficientes, pero que con el tiempo se deterioran más rápidamente debido a las tensiones adicionales no previstas. Por tanto, incorporar esta interacción desde el inicio del diseño mejora significativamente la durabilidad y la fiabilidad de las estructuras.

Desde el punto de vista ambiental, el uso de metamodelos para optimizar las estructuras de hormigón representa un avance importante. Al reducir el material necesario y mejorar la eficiencia estructural, se contribuye a disminuir las emisiones de CO₂, un objetivo clave en la lucha contra el cambio climático. Además, la metodología propuesta ofrece un enfoque más sostenible al reducir los recursos computacionales necesarios para realizar simulaciones complejas.

En conclusión, la inclusión de la interacción suelo-estructura y el uso de metamodelos basados en Kriging constituyen una contribución innovadora al campo de la ingeniería estructural. Esta investigación no solo proporciona mejores resultados de diseño, sino que también tiene el potencial de reducir el impacto ambiental de las estructuras de hormigón armado, lo que contribuye a que el sector de la construcción sea más sostenible y eficiente.

Referencia:

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

Optimización multicriterio para el diseño sostenible de edificios con estructura de hormigón armado

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Cleaner Production, revista indexada en el primer decil del JCR. El trabajo se centra en la optimización del diseño multicriterio de los edificios con estructura de hormigón armado, teniendo en cuenta aspectos como el diseño eficiente, los factores ambientales (emisiones de CO₂) y la durabilidad. Explora las estrategias de optimización multiobjetivo y de un solo objetivo, así como el uso de los metamodelos de Kriging.

Los resultados muestran que tanto los enfoques de optimización multiobjetivo como los de un solo objetivo producen soluciones satisfactorias, lo que mejora significativamente los índices de sostenibilidad en comparación con el diseño tradicional. La metodología propuesta destaca la importancia de integrar técnicas de optimización avanzadas en los procedimientos de diseño tradicionales para promover prácticas de producción más limpias en el sector de la construcción.

Cabe destacar que la metodología propuesta mejora significativamente los índices de sostenibilidad en comparación con el diseño tradicional, lo que destaca la importancia de integrar técnicas de optimización avanzadas en los procedimientos de diseño tradicionales para promover prácticas de producción más limpias en el sector de la construcción.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Es fruto de la tesis doctoral en marcha de Iván Negrín (Cuba), que tengo el placer de codirigir con el profesor Moacir Kripka (Brasil).

Abstract:

This paper implements the multi-criteria design optimization of three-dimensional reinforced concrete frame building structures, considering aspects such as the realistic design of the elements, including foundations within the structural assembly, or considering the soil-structure interaction. The criteria for a more comprehensive sustainable approach are related to environmental, constructive, and durability aspects. The environmental factor is measured through CO₂ emissions, considering its capture due to concrete carbonation. The use of multi-objective strategies is evident in solving the multi-criteria problem. Still, it is also proposed to formulate this problem with a single function containing all the criteria to solve it as a single-objective optimization problem. Strategies are also offered to perform multi-objective optimization based on Kriging metamodels. Several alternatives for multi-criteria decision-making are explored. The results show that multi-objective metamodel-based optimization is a good strategy for solving this problem. Alternatively, the results of the single-objective optimization of the multi-criteria problem are very satisfactory. The solutions obtained are analyzed according to the type of optimization and the decision-making criteria. Optimized solutions significantly improve the sustainability indexes compared to traditional design. Multi-criteria optimization contributes significantly to achieving these indexes. Therefore, the proposed methodology allows for the sustainable design of any reinforced concrete frame structure. It highlights the importance of integrating more encompassing formulations and advanced optimization techniques into traditional design procedures to adopt cleaner production practices in the construction sector. Finally, several promising lines of research are presented.

Keywords:

Structural optimization; Reinforced concrete frame structures; Sustainable design; CO₂ emissions; Buildability; Service life

Reference:

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

Os podéis descargar el artículo de forma gratuita hasta el 22 de noviembre de 2023 en esta dirección:

https://authors.elsevier.com/c/1hsHa3QCo9j26Q

Evaluación de la huella de carbono en la construcción de un puente basándose en la teoría de la resiliencia

Acaban de publicarnos un artículo en Journal of Civil Engineering and Management, revista indexada en el primer cuartil del JCR. El artículo propone un procedimiento para evaluar la huella de carbono en la construcción de un puente basándose en la teoría de la resiliencia. La investigación proporciona modelos teóricos y datos sobre los impactos de la resiliencia ambiental y los modelos de gestión de la resiliencia de los proyectos, lo que contribuye al control dinámico y a la evaluación del desarrollo sostenible de las estructuras de puentes a gran escala en el futuro. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El artículo contribuye al campo de la construcción de puentes al abordar la evaluación del impacto ambiental durante la etapa de construcción de puentes a gran escala, utilizando un enfoque multidisciplinario. Establece un sistema modelo teórico de resiliencia al impacto ambiental, proporcionando modelos teóricos detallados y datos de experiencia analítica avanzada para los impactos de la resiliencia ambiental y modelos de gestión de la resiliencia de proyectos.
La investigación destaca los beneficios de la construcción industrializada, que puede ahorrar materiales y reducir la contaminación ambiental en comparación con los métodos de construcción tradicionales. También elimina la dificultad de evaluar con precisión los factores dinámicos discretos en la construcción de puentes.
El estudio demuestra la aplicación de la teoría de la resiliencia al análisis del impacto ambiental de la construcción de puentes, proporcionando una base científica sólida para el control dinámico y la evaluación del desarrollo sostenible de las estructuras de puentes a gran escala en el futuro.
Los resultados de esta investigación pueden servir de base para la toma de decisiones en la industria de la construcción, en particular en lo que respecta a la optimización de los métodos de construcción y la minimización de la contaminación ambiental durante la fase de construcción de puentes a gran escala.

Abstract:

The construction and management of large-scale projects have the characteristics of complexity, dynamic and offline, and how to evaluate it is a research problem accurately. This study addresses this question through multidisciplinary cross-applied research. The research analyses and optimizes the environmental impact of the construction stage of superlarge bridges by establishing a theoretical model system of environmental impact resilience. The analysis shows that industrialized construction can save 56.31% of materials compared with traditional construction but increase the consumption of machinery and personnel by 11.18%. Ultimately, environmental pollution can be significantly reduced. This study breaks through the difficulty of accurately evaluating discrete dynamic factors. It has realized the application of multidisciplinary research to solve management optimization and design problems in the elastic and dynamic changes of super-large bridges during construction. This research provides rich theoretical models and advanced analytics experience data for environmental resilience impacts and project resilience management models, laying a solid scientific foundation for dynamic control and sustainable development assessment of statically indeterminate structures in the future.

Keywords:

Project management; energy; material; industrialized; environment; response.

Reference:

ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2023). Carbon impact assessment of bridge construction based on resilience theory. Journal of Civil Engineering and Management, 29(6):561-576. DOI:10.3846/JCEM.2023.19565

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

Pincha aquí para descargar

Optimización de estructuras de hormigón armado asistida por metamodelos considerando la interacción suelo-estructura

Acaban de publicarnos un artículo en Engineering Structures, revista indexada en el primer cuartil del JCR. El artículo propone una estrategia de optimización metaheurística asistida por metamodelos para minimizar las emisiones de CO₂ de las estructuras de armazón de hormigón armado, teniendo en cuenta la interacción suelo-estructura. El enfoque permite abordar problemas de optimización estructural de alta complejidad y, al mismo tiempo, lograr un ahorro computacional de alrededor del 90%. 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 estrategia de optimización metaheurística asistida por metamodelos para minimizar las emisiones de CO₂ de las estructuras de armazón de hormigón armado, teniendo en cuenta la interacción suelo-estructura.
El enfoque sugerido permite abordar problemas de optimización estructural de alta complejidad y, al mismo tiempo, lograr un ahorro computacional de alrededor del 90%.
El estudio muestra que incluir la interacción suelo-estructura conduce a resultados de diseño diferentes a los obtenidos con los soportes clásicos, y que los cimientos también resultan importantes dentro del ensamblaje estructural.
El enfoque metaheurístico permite obtener resultados (de media) con una precisión de hasta el 98,24% en los suelos cohesivos y del 98,10% en los suelos friccionales, en comparación con los resultados de la optimización heurística.

Abstract:

It is well known that conventional heuristic optimization is the most common approach to deal with structural optimization problems. However, metamodel-assisted optimization has become a valuable strategy for decreasing computational consumption. This paper applies conventional heuristic and Kriging-based meta-heuristic optimization to minimize the CO₂ emissions of spatial reinforced concrete frame structures, considering an aspect usually ignored during modeling, such as the soil-structure interaction (SSI). Due to the particularities of the formulated problem, there are better strategies than simple Kriging-based optimization to solve it. Thus, a meta-heuristic strategy is proposed using a Kriging-based two-phase methodology and a local search algorithm. Three different models of structures are used in the study. Results show that including the SSI leads to different design results than those obtained using classical supports. The foundations, usually ignored in this type of research, also prove significant within the structural assembly. Additionally, using an appropriate coefficient of penalization, the meta-heuristic approach can find (on average) results up to 98.24% accuracy for cohesive soils and 98.10% for frictional ones compared with the results of the heuristic optimization, achieving computational savings of about 90%. Therefore, considering aspects such as the SSI, the proposed metamodeling strategy allows for dealing with high-complexity structural optimization problems.

Keywords:

Structural optimization; Reinforced concrete; Frame structures; CO₂ emissions; Metamodel; Kriging; Soil-structure interaction

Reference:

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

Pincha aquí para descargar