Particle Swarm Optimization archivos - El blog de Víctor Yepes

Diseñar mejor para construir con menos CO₂: optimización conjunta de cerchas mixtas y forjados

¿Y si la estructura de un edificio pudiera consumir menos materiales y emitir menos CO₂ sin perder resistencia? Una investigación internacional, publicada en Smart and Sustainable Built Environment y realizada por la Universitat Politècnica de València y por investigadores brasileños, estudia cómo lograrlo mediante el diseño coordinado de cerchas tubulares de acero y hormigón y de forjados mixtos. La propuesta no se limita a elegir perfiles más ligeros: optimiza conjuntamente la geometría de la estructura, las propiedades de los materiales y la armadura del forjado. En los casos analizados, esta estrategia reduce hasta un 24 % las emisiones de CO₂ asociadas a los materiales, frente a soluciones de referencia con cerchas de acero homogéneo y forjados convencionales de catálogo.

El problema: optimizar la estructura como un conjunto

El diseño de una estructura no consiste en dimensionar cada elemento de forma aislada. Las decisiones sobre una cercha condicionan el comportamiento y las necesidades del forjado que soporta; del mismo modo, modificar el canto o la armadura del forjado puede alterar el equilibrio entre la resistencia, el consumo de materiales y el coste del conjunto.

Sin embargo, buena parte de los trabajos previos sobre optimización estructural habían estudiado por separado las cerchas mixtas y los forjados. La investigación de Elcio Cassimiro Alves, Moacir Kripka y Víctor Yepes aborda precisamente esa separación. Su objetivo es desarrollar una metodología que permita optimizar de forma coordinada una cercha tubular mixta de acero y hormigón, así como el forjado de chapa colaborante que descansa sobre ella.

La solución estudiada tiene una configuración concreta: una cercha tipo Warren, formada por barras tubulares de sección circular, cuyo cordón superior incorpora hormigón en su interior. El forjado está compuesto por una losa de hormigón apoyada sobre una chapa de acero perfilada que actúa como encofrado y participa en el comportamiento resistente.

La palabra híbrida tiene aquí un significado específico. No se refiere a combinar acero y hormigón —algo propio de cualquier solución mixta—, sino a utilizar distintas calidades de acero en los cordones superior e inferior y en las barras del alma. Así, cada grupo de elementos puede disponer de un material adaptado a las solicitaciones que debe resistir.

Una optimización que conecta cercha, materiales y forjado

La principal aportación del trabajo es reunir en un mismo procedimiento variables que habitualmente se estudian por separado. En la cercha se consideran la geometría, el número de paneles, la altura, los perfiles tubulares, las calidades de acero de los distintos grupos de barras y la resistencia del hormigón de relleno del cordón superior.

El forjado también forma parte del proceso de optimización. El modelo contempla la geometría, el espesor de la losa, las características de la chapa colaborante, la resistencia del hormigón y la armadura incorporada. Esta última variable es de especial interés: añadir acero de refuerzo puede aumentar la resistencia a la flexión positiva y permitir reducir el espesor de la losa.

El planteamiento persigue algo más que encontrar una cercha ligera. Busca una combinación coherente de elementos y materiales que cumpla con las exigencias estructurales y, al mismo tiempo, reduzca las emisiones asociadas a su fabricación. Para ello, el estudio analiza el impacto ambiental, el coste de la construcción y la capacidad portante del forjado.

Variables de diseño consideradas en la optimización

Cómo se ha realizado el estudio

La investigación se desarrolló en dos etapas. En la primera, los autores buscaron minimizar las emisiones de CO₂ mediante un algoritmo de optimización denominado Particle Swarm Optimization (PSO), o algoritmo de enjambre de partículas. Se trata de una técnica inspirada en el comportamiento colectivo de grupos de individuos: cada solución ensayada modifica su búsqueda teniendo en cuenta su propia experiencia y la información obtenida por otras soluciones.

El procedimiento se aplicó a cinco luces: 8, 12, 16, 20 y 24 metros. Para cada una se compararon cuatro alternativas: cerchas homogéneas o híbridas, combinadas con forjados de catálogo u optimizados. Así fue posible estudiar por separado el efecto de asignar distintas calidades de acero a cada parte de la cercha y el de ajustar el diseño del forjado.

En la segunda etapa se utilizó una extensión del método, conocida como Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO). En vez de buscar una única solución con las menores emisiones, el algoritmo exploró el equilibrio entre tres objetivos: reducir las emisiones de CO₂, reducir el coste de construcción y aumentar la capacidad portante del forjado. El resultado es un conjunto de alternativas eficientes, denominado frente de Pareto, en el que mejorar uno de los objetivos puede requerir renunciar parcialmente a otro.

Las soluciones se sometieron a comprobaciones estructurales en los estados límite últimos y de servicio. También se evaluaron las fases de construcción del forjado: antes del endurecimiento del hormigón, la chapa debe soportar por sí sola las cargas correspondientes; una vez fraguado el hormigón, la losa y la chapa trabajan conjuntamente. Para calcular las emisiones se consideró el impacto de los materiales desde su fabricación hasta su salida de fábrica (cradle-to-gate). No se incluyeron el transporte, la ejecución de la obra, el mantenimiento, el uso ni el fin de vida del edificio.

Qué resultados se han obtenido

El resultado ambiental más destacado se obtiene al combinar una cercha híbrida con un forjado optimizado. Frente a la solución de referencia —cercha homogénea y forjado de catálogo—, esta combinación redujo las emisiones de CO₂ en más de un 20 % en todas las luces estudiadas. El ahorro máximo alcanzó el 24 % en la estructura de 8 metros.

La optimización del forjado ayuda a explicar parte de esa reducción. La configuración obtenida incorpora dos barras de 6,3 milímetros de diámetro en cada nervio. Con esta armadura adicional, el canto total del forjado pasa de 140 a 110 milímetros y el espesor de la chapa de acero se reduce de 1,25 a 0,80 milímetros. La armadura aumenta la resistencia a la flexión de la losa una vez endurecido el hormigón y permite utilizar una chapa más delgada, siempre que esta siga cumpliendo las comprobaciones necesarias durante la fase de construcción.

La elección de materiales también influye en el resultado. En el 80 % de los casos optimizados, el hormigón de relleno del cordón superior alcanzó resistencias iguales o superiores a 40 MPa, con una concentración de soluciones entre 40 y 70 MPa. En las cerchas híbridas se seleccionaron diferentes resistencias de acero para los cordones y las diagonales. El uso de materiales de mayor resistencia puede parecer, a primera vista, una opción más costosa y con una mayor huella de carbono por unidad de material. Sin embargo, si permite reducir las dimensiones de los perfiles y la cantidad total empleada, el balance global puede resultar favorable.

Comparativa de las losas de catálogo y la óptima

Los resultados también muestran que no todos los componentes tienen el mismo peso ambiental. En las luces cortas, los materiales del forjado dominan las emisiones. En las estructuras de 24 metros con forjado optimizado, el acero de la cercha pasa a representar entre el 37 % y el 38 % del total. Esto indica que las estrategias de reducción de emisiones deben adaptarse a la dimensión y configuración de cada estructura: reducir el espesor de la chapa puede tener un efecto destacado en una luz corta, mientras que en luces mayores resulta más relevante optimizar los perfiles de la cercha.

La segunda etapa del estudio permite valorar cuánto cuesta aumentar la capacidad de resistencia. Para cargas habituales de entre 2 y 5 kN/m², las soluciones MOPSO alcanzaron capacidades portantes del forjado de hasta 2,5 veces la correspondiente a la solución de referencia de 2 kN/m² para la misma luz. Ese incremento puede implicar aumentos de hasta el 25 % en las emisiones y del 52 % en el coste de construcción. La mejora de prestaciones, por tanto, no es gratuita: el proyectista debe seleccionar la alternativa que responda a las cargas reales del edificio, evitando sobredimensionar el sistema.

Otro resultado interesante es la relación entre el coste y las emisiones. Para las configuraciones analizadas, ambos indicadores presentaron una correlación lineal muy elevada, con un coeficiente de determinación (R²) de 0,9895. Los autores estimaron que cada kilogramo de CO₂ reducido se asociaba, en promedio, a una disminución de unos 4,25 reales brasileños en el coste. La cifra depende de los precios y de los factores de emisión empleados en el estudio; no debe extrapolarse directamente a otros mercados.

¿Qué utilidad puede tener para un proyecto real?

La metodología ofrece una herramienta de apoyo para el predimensionamiento de estructuras de edificación con luces medias. El equipo técnico introduce datos como la luz y la separación entre cerchas, las cargas previstas, los perfiles tubulares disponibles, las calidades admisibles de acero y hormigón, las alternativas de forjado, así como los precios y los factores de emisión de los materiales.

Con esa información, el programa CompFloor realiza el análisis estructural y ejecuta los procesos de optimización. El algoritmo PSO identifica alternativas de bajas emisiones, mientras que MOPSO genera distintas combinaciones de coste, impacto ambiental y capacidad portante. El proyectista puede comparar esas opciones y seleccionar las que mejor se ajusten a las necesidades de la obra.

Su interés práctico radica en que permite evaluar decisiones que suelen tomarse por separado. Por ejemplo, estudiar si compensa emplear un acero de mayor resistencia en determinadas barras, aumentar la armadura del forjado para reducir el espesor de la chapa o modificar la geometría de la cercha para disminuir los esfuerzos y las dimensiones de los perfiles.

El ahorro no depende necesariamente de utilizar menos material en cada componente, sino de distribuirlo donde aporta mayor rendimiento estructural.

Ahora bien, los resultados deben interpretarse teniendo en cuenta las condiciones del estudio. El análisis se limita a cerchas Warren con perfiles tubulares circulares y luces de entre 8 y 24 metros. Además, emplea materiales, precios, factores de emisión y criterios normativos brasileños. El modelo estructural idealiza las barras como elementos sometidos a esfuerzos axiales y considera los nudos articulados; no desarrolla explícitamente la resistencia y la flexibilidad de las uniones, las excentricidades, las soldaduras ni los posibles modos de fallo local en los nudos tubulares.

La aplicación a proyectos en España requeriría adaptar los datos de partida y las comprobaciones a los Eurocódigos y sus anejos nacionales, así como a los productos disponibles, los precios y los factores de emisión locales. También sería necesario completar el diseño con el cálculo detallado de las uniones, la revisión de la constructibilidad y las verificaciones específicas del proyecto. La herramienta proporciona alternativas preliminares; no sustituye el trabajo de cálculo ni el de validación del equipo redactor.

Diseñar el sistema completo para reducir su impacto

La investigación aporta una idea útil para la ingeniería estructural: las decisiones de diseño tienen mayor potencial cuando se estudian de forma coordinada. Optimizar una cercha sin considerar el forjado que soporta puede dejar fuera oportunidades de ahorro; hacer lo contrario puede conducir a soluciones que no aprovechen las posibilidades del conjunto.

Los resultados muestran que combinar materiales con distintas prestaciones, ajustar la geometría de los elementos y optimizar la armadura del forjado permiten reducir las emisiones asociadas a los materiales sin renunciar a la seguridad estructural. También ponen de relieve que no existe una solución óptima para todos los proyectos: la alternativa más adecuada depende de la luz, de las cargas, del coste de los materiales y de las prioridades ambientales.

El siguiente paso será trasladar este tipo de metodologías a configuraciones estructurales más diversas y a evaluaciones ambientales que incorporen otras fases del ciclo de vida. Mientras tanto, el trabajo ofrece una base para avanzar hacia estructuras en las que la sostenibilidad, el coste y las prestaciones de resistencia se consideren conjuntamente desde las primeras decisiones de diseño.

Referencia:

ALVES, É.C.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2026). Sustainable Multi-Objective Topology Optimization of Composite Hybrid Tubular Trusses. Smart and Sustainable Built Environment DOI:10.1108/SASBE-06-2026-0534

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

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.

El código secreto de la naturaleza: algoritmos metaheurísticos para resolver lo imposible.

Introducción: El genio oculto en el caos natural.

En el vasto universo de la gestión de situaciones complejas, nos enfrentamos a desafíos que cuestionan la lógica convencional: los problemas NP-difíciles.

Estos enigmas se caracterizan por que, a medida que el tamaño del problema aumenta, el tiempo necesario para resolverlo mediante fuerza bruta crece de manera exponencial. Esto hace que una búsqueda exhaustiva sea prácticamente imposible, incluso para las supercomputadoras más potentes. De este modo, cuando los métodos deterministas fallan y no hay garantía de hallar la solución perfecta, los expertos recurren a las metaheurísticas.

Al observar cómo la naturaleza optimiza los recursos para la supervivencia, hemos descubierto que el ensayo y el error no son fruto del azar, sino de un diseño refinado a lo largo de milenios de evolución. Los investigadores han dejado de mirar exclusivamente las pizarras para descifrar el genio oculto en los sistemas biológicos, físicos y químicos y han traducido procesos naturales en ecuaciones de optimización asombrosamente eficientes.

La inteligencia de enjambre: el poder de la multitud «sin inteligencia».

Uno de los pilares más fascinantes de esta disciplina es la inteligencia de enjambre (SI, por sus siglas en inglés). Este concepto se basa en el comportamiento colectivo emergente de múltiples agentes que interactúan según reglas muy sencillas. Ya sea en colonias de hormigas, enjambres de abejas o destellos de luciérnagas, el sistema logra una autorganización compleja sin necesidad de un mando central.

Lo más sorprendente es cómo la capacidad del colectivo trasciende las limitaciones del individuo. Un solo agente puede ser limitado, pero el enjambre, como unidad, exhibe una gran capacidad para resolver problemas. Como señala la literatura académica sobre este fenómeno:

«Aunque cada agente puede ser considerado como ininteligente, el sistema completo de múltiples agentes puede mostrar un comportamiento de autoorganización y, por lo tanto, puede comportarse como una suerte de inteligencia colectiva».

Más allá de la biología: la optimización se encuentra con la física y la música.

Aunque la biología es una fuente muy rica, la informática inspirada en la naturaleza trasciende mucho más. Para un especialista, la clasificación de estos algoritmos no se limita a su «musa», sino a su comportamiento matemático. Podemos categorizarlos según su trayectoria de búsqueda (como el Simulated Annealing) o según si se basan en poblaciones (como el Particle Swarm Optimization o el Firefly Algorithm).

Existen sistemas basados en leyes físicas y químicas, como los algoritmos que imitan la fuerza de la gravedad, las cargas eléctricas o la dinámica de formación de ríos. Incluso el arte tiene su lugar en el algoritmo Harmony Search (Búsqueda Armónica), que imita el proceso estético de un músico que persigue el «estado de armonía» o el acorde perfecto. Esta universalidad demuestra que los conceptos de disciplinas tan dispares pueden traducirse en reglas de actualización precisas para hallar soluciones casi óptimas en ingeniería y logística.

La trampa de las 28 000 especies: el desafío de la verdadera novedad.

A pesar del auge de estas técnicas, la comunidad científica se enfrenta a una realidad crítica: la proliferación de algoritmos que carecen de innovación real. Aunque en el mundo existen aproximadamente 28 000 especies de peces, esto no justifica la creación de 28 000 variantes algorítmicas (por ejemplo, el algoritmo del tiburón, de la trucha, etc.) que solo cambian los nombres de las variables sin aportar una mejora sustancial al motor de búsqueda.

En los últimos años, el mundo de la optimización ha experimentado una auténtica explosión de metaheurísticas. Nuevos algoritmos “inspirados en la naturaleza” están apareciendo como setas tras la lluvia. Solo en el último lustro, la comunidad científica se ha encontrado con miles de propuestas que se presentan como completamente originales.

El problema es que, en muchos casos, esas supuestas “novedades” no aportan ideas realmente nuevas. Son simplemente variantes, más o menos ingeniosas, de algoritmos ya conocidos y consolidados. Cambia el nombre, cambia la metáfora biológica o social, pero el mecanismo interno apenas difiere del de otros modelos existentes.

La situación ha llegado a tal punto que varias revistas científicas de alto impacto han decidido poner freno a esta tendencia. Muchas de ellas ya no aceptan trabajos que presenten una “nueva metaheurística” si no demuestran aportaciones metodológicas auténticas y verificables.

Esto supone una llamada a la acción para priorizar el rigor por encima de la «marca» comercial del algoritmo. Los expertos advierten sobre el peligro de la «pseudoinnovación» con fines de publicación:

No basta con bautizar un algoritmo con un nombre llamativo; tiene que resolver mejor los problemas reales.

La receta del éxito: mezcla, diversidad y paralelismo.

¿Por qué algoritmos como Cuckoo Search o el Firefly Algorithm triunfan, mientras que otros caen en el olvido? El éxito de un metaheurístico radica en su capacidad para equilibrar dos fuerzas opuestas:

Diversidad (búsqueda global/exploración): es la capacidad del algoritmo para explorar exhaustivamente el amplio espacio de búsqueda y evitar quedar atrapado en soluciones locales que parecen buenas, pero no lo son.
Mezcla (búsqueda local/explotación): es el proceso de recombinación e interacción entre soluciones que permite al algoritmo converger rápidamente hacia el punto óptimo una vez identificada una región prometedora.

Además, una ventaja competitiva de los algoritmos de inteligencia de enjambre es su facilidad de paralelización. Al basarse en múltiples agentes independientes, estos procesos pueden ejecutarse simultáneamente en hardware moderno, lo que permite optimizar problemas a gran escala en el mundo real por primera vez de forma práctica y eficiente.

Conclusión: hacia una nueva era de resolución de problemas.

Los algoritmos inspirados en la naturaleza han dejado de ser una mera curiosidad para convertirse en el estándar de oro para los problemas de alta complejidad. Es por ello que el futuro de esta disciplina no radica en buscar «más especies» que imitar, sino en profundizar en el marco matemático que permite que la diversidad y la mezcla funcionen en armonía. Solo a través de la comprensión real de estos mecanismos podremos hacer frente a los enormes desafíos de la tecnología moderna.

Al observar la elegancia con la que un enjambre encuentra su camino o un sistema físico alcanza el equilibrio, surge una pregunta inevitable: ¿existe algún límite a lo que podemos aprender sobre la eficiencia de la naturaleza o apenas estamos empezando a descifrar su código más fundamental?

En esta conversación puedes escuchar algunas de las ideas más interesantes sobre este tema.

En este vídeo se resumen algunos de los conceptos más importantes abordados.

Fister

Nature_Inspired_Optimization

Referencias:

FISTER JR, I.; YANG, X. S.; FISTER, I.; BREST, J.; FISTER, D. (2013). A brief review of nature‑inspired algorithms for optimization. arXiv preprint arXiv:1307.4186.

GARCÍA, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2020). A hybrid k-means cuckoo search algorithm applied to the counterfort retaining walls problem. Mathematics, 8(4), 555. DOI:10.3390/math8040555

GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2020). The buttressed walls problem: An application of a hybrid clustering particle swarm optimization algorithm. Mathematics, 8(6):862. DOI:10.3390/math8060862

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PÉREZ-LÓPEZ, E. (2015). Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92:112-122. DOI:10.1016/j.engstruct.2015.03.015

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J. (2014). Optimization of concrete I-beams using a new hybrid glow-worm swarm algorithm. Latin American Journal of Solids and Structures, 11(7):1190 – 1205. DOI:10.1590/S1679-78252014000700007

YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PEREA, C.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2008). A Parametric Study of Optimum Earth Retaining Walls by Simulated Annealing. Engineering Structures, 30(3): 821-830. DOI:10.1016/j.engstruct.2007.05.023

YEPES, V. (2026). Heuristic Optimization Using Simulated Annealing. In: Kulkarni, A.J., Mezura-Montes, E., Bonakdari, H. (eds) Encyclopedia of Engineering Optimization and Heuristics. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-96-8165-5_48-1

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