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Innovación en puentes de gran escala: optimización 3D y sostenibilidad mediante análisis acoplado de elementos finitos

Un artículo reciente publicado en la revista Structures, del primer cuartil del JCR, presenta un enfoque innovador de optimización estructural acoplada con el fin de mejorar la sostenibilidad y la eficiencia en la construcción de puentes hiperestáticos de gran escala. Este trabajo, titulado «Three-dimensional finite element-coupled optimisation assessment of extra-large bridges», se centra en el diseño de puentes con doble torre y cableado, y presenta un modelo de optimización estructural que integra métodos matemáticos avanzados, simulaciones de elementos finitos y un análisis detallado de variables aleatorias. Esta investigación constituye un importante avance en la búsqueda de métodos sostenibles que minimicen la huella medioambiental del sector de la construcción y contribuyan a los objetivos de desarrollo sostenible en ingeniería civil.

Esta trabajo, llevado a cabo por un equipo de expertos de la Universidad de Ciencia e Ingeniería de Hunan (China) y de la Universitat Politècnica de València (España), se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Contexto de la investigación: la construcción sostenible y sus retos

La construcción es una de las industrias con mayor impacto ambiental a nivel mundial, ya que genera el 33 % de las emisiones de carbono y es un gran consumidor de agua y energía. En particular, el diseño y construcción de grandes infraestructuras, como puentes, requiere de grandes cantidades de recursos y genera altos niveles de emisiones de gases contaminantes debido al uso extensivo de materiales como el hormigón armado y el acero. Frente a este desafío, el estudio propone un enfoque para optimizar el diseño de puentes hiperestáticos y promover prácticas de construcción sostenibles mediante el uso de herramientas avanzadas de optimización.

Objetivos de la investigación

El objetivo principal del artículo es reducir el consumo de materiales y optimizar el diseño estructural de puentes con múltiples torres y sistemas de cableado, como los puentes atirantados de doble torre. Dicha optimización incluye la implementación de una metodología que integra diversas herramientas matemáticas y de simulación, como modelos de microestructura reticulada y métodos estadísticos para gestionar las variables aleatorias que influyen en el comportamiento estructural de los puentes.

Entre los objetivos específicos del estudio destacan:

  1. Desarrollar un modelo que permita la optimización topológica en 3D de puentes hiperestáticos.
  2. Reducir el impacto ambiental mediante el uso eficiente de materiales.
  3. Mejorar la estabilidad y el rendimiento estructural de estos puentes en condiciones de carga complejas.
  4. Proporcionar un marco teórico para futuras investigaciones sobre la optimización de grandes infraestructuras.

Metodología:

El enfoque metodológico del estudio integra varios modelos teóricos y herramientas de simulación estructural, entre las que se incluyen:

  1. Modelo de optimización: La investigación utiliza un modelo de optimización para el diseño estructural de puentes. Este modelo se basa en la disposición de microelementos en una red tridimensional para optimizar el uso de materiales y la capacidad estructural. Este enfoque permite controlar la densidad y distribución del material en áreas específicas de la estructura, como las torres y los cables del puente, donde las cargas y tensiones son mayores.
  2. Optimización estadística de variables discretas: Las estructuras de puentes están sujetas a fuerzas externas e imprevistos, como fluctuaciones en la velocidad del viento o cambios en la carga de vehículos. Para hacer frente a esta incertidumbre, el estudio implementa un modelo matemático basado en la estadística de variables discretas. Este modelo incorpora métodos de perturbación para evaluar el comportamiento de las variables aleatorias y su influencia en la estructura, garantizando así una mayor estabilidad y precisión en el diseño.
  3. Convergencia y estabilidad estructural: Uno de los mayores retos en la optimización de estructuras complejas es garantizar la estabilidad bajo condiciones no lineales. Zhou et al. utilizan técnicas avanzadas de resolución de ecuaciones no lineales y una combinación de diferencias finitas con métodos característicos. Este enfoque permite alcanzar soluciones precisas y asegurar que la estructura mantenga su integridad ante cargas variables.

Estudio de caso: Puente Nan Ao Da

Para validar su enfoque, los autores realizaron un análisis detallado del puente Nan Ao Da (NADB) en la provincia de Cantón, en el sur de China. Este puente atirantado, que tiene una longitud total de 9341 metros y una configuración de doble torre, es un caso de estudio ideal para aplicar la metodología de optimización propuesta. El estudio abarcó varios aspectos clave:

  1. Cargas estructurales y condiciones de diseño: El diseño del NADB tiene en cuenta múltiples tipos de carga, como el peso estructural, la presión del viento y las cargas vehiculares. Para optimizar la estructura, se realizaron cálculos de elementos finitos en secciones específicas del puente. La simulación modeló factores como la gravedad, la presión del viento a diferentes alturas y los efectos de las cargas en los cables de suspensión, lo que permitió comprender completamente la distribución de fuerzas en la estructura.
  2. Simulación y análisis de elementos finitos: La simulación de elementos finitos en el NADB implicó dividir la estructura en más de 79 000 elementos, lo que permitió realizar cálculos detallados de tensiones y desplazamientos en diversas partes del puente. La metodología incluyó la evaluación de 122 puntos de monitorización distribuidos en la estructura para analizar cómo las fuerzas y los desplazamientos afectaban a los elementos críticos de esta. Los resultados identificaron áreas de alta tensión, particularmente en las torres y los cables de soporte, que se optimizaron para reducir el uso de material sin comprometer la seguridad.
  3. Optimización de materiales y reducción de volumen: Mediante la optimización topológica, se logró reducir el volumen de materiales de las principales secciones del puente en un 2 %. Esta reducción no solo mejora la estabilidad estructural, sino que también reduce significativamente el peso total y el coste de construcción. Además, el ahorro de materiales implica una disminución de las emisiones de carbono y otros contaminantes.
Nan’ao Bridge

Resultados: impacto estructural y ambiental

La implementación de la optimización topológica en el NADB generó resultados significativos en términos estructurales y ambientales:

  1. Mejora en la estabilidad estructural: La reducción de material se logró al optimizar las áreas de mayor carga, como las torres y los cables, lo que resultó en una distribución de tensiones más eficiente. Los análisis de sensibilidad indicaron que, tras la optimización, las áreas de mayor energía interna se concentraban en los elementos de soporte, lo que facilitaba una transmisión de energía más efectiva y aseguraba la estabilidad estructural.
  2. Reducción de emisiones y eficiencia ambiental: Se realizó un análisis del ciclo de vida del puente optimizado utilizando el software OpenLCA y la base de datos Ecoinvent. Los resultados mostraron una reducción del 3,76 % en emisiones totales, así como disminuciones del 6,32 % en acidificación, eutrofización y generación de polvo atmosférico. Estos logros están alineados con los objetivos de sostenibilidad global y demuestran el potencial de la optimización estructural para reducir el impacto ambiental de la construcción..
  3. Ahorro económico: Desde una perspectiva económica, la reducción del uso de materiales se tradujo en un ahorro de 1,7 millones de yuanes chinos (CNY) en el coste de construcción del puente. Este ahorro económico refuerza la viabilidad de la optimización topológica como un método eficiente y rentable para proyectos de infraestructura de gran escala.

Discusión: implicaciones para el diseño y construcción de puentes

El análisis de optimización topológica aplicado al puente NADB subraya la importancia de integrar técnicas avanzadas de modelado en la ingeniería de grandes infraestructuras. Además de mejorar la eficiencia estructural, esta metodología ofrece una solución viable para alcanzar la sostenibilidad en la construcción, ya que reduce los costes y el impacto ambiental de los proyectos.

  1. Aplicaciones potenciales en otros proyectos: Los principios y métodos empleados en este estudio pueden aplicarse a otros tipos de estructuras hiperestáticas, como viaductos y puentes multipórtico. Esta flexibilidad demuestra la versatilidad del modelo y su capacidad para adaptarse a diversos contextos estructurales.
  2. Retos en la implementación práctica: Sin embargo, el artículo también reconoce importantes desafíos, especialmente en la modelación de estructuras bajo condiciones de carga combinada. Los autores sugieren que futuras investigaciones deberían explorar la integración de técnicas de inteligencia artificial y algoritmos de optimización avanzada para gestionar de forma más precisa las variables aleatorias y optimizar aún más la distribución de materiales.

Conclusiones

La investigación ofrece un enfoque completo para la optimización acoplada de puentes hiperestáticos en tres dimensiones. Los resultados de este estudio tienen importantes implicaciones para el desarrollo sostenible de la infraestructura y la construcción de grandes puentes, ya que demuestran que es posible reducir el uso de materiales y el impacto ambiental sin comprometer la estabilidad estructural. Las contribuciones clave del artículo son las siguientes:

  1. Un marco teórico sólido para la optimización acoplada en 3D, que permite mejorar la sostenibilidad de grandes infraestructuras.
  2. Un enfoque práctico  para reducir emisiones y ahorrar materiales mediante la optimización de elementos finitos y técnicas de modelado avanzadas..
  3. Un modelo aplicable a futuros proyectos de infraestructura que proporciona una base para el diseño de puentes de gran escala más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.

El artículo sugiere que la investigación futura debería centrarse en desarrollar métodos de optimización inteligentes para el mantenimiento y la operación de estructuras complejas. La combinación de técnicas de inteligencia artificial y modelado predictivo podría revolucionar la construcción y el diseño de puentes, al tiempo que promovería prácticas de ingeniería sostenibles y rentables.

Referencia:

ZHOU, Z.; LIANG, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Three-dimensional finite element coupled optimization assessment of extra-large bridges. Structures, 70:107743. DOI:10.1016/j.istruc.2024.107743

Este artículo se puede descargar gratuitamente hasta el próximo 2 de enero de 2025 accediendo directamente al siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/c/1k5YY8MoIH2dmK

También dejo un vídeo sobre el puente al que se hace mención en el artículo.

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Predimensionamiento óptimo de tableros de puentes losa pretensados aligerados

Figura 1. Vista aérea de paso superior. Google Maps.

El artículo de investigación presentado en el 28th International Congress on Project Management and Engineering por los autores Yepes-Bellver, Martínez-Pagán, Alcalá, y Yepes es un análisis integral del predimensionamiento de los tableros de puentes losa pretensados aligerados.

Este informe detalla su importancia y sugiere mejoras en el diseño estructural mediante la optimización con métodos avanzados como el modelo Kriging y algoritmos de optimización heurística.

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

1. Contexto del empleo de los puentes losa pretensados aligerados

Los puentes de losa pretensada son fundamentales en las infraestructuras de carreteras y vías ferroviarias debido a su capacidad para cubrir luces de entre 10 y 45 metros, lo que los hace más resistentes, duraderos y adaptables a distintos diseños geométricos. El coste de estos puentes suele representar entre un 5 % y un 15 % de los gastos totales de una infraestructura de transporte. Además, los puentes losa ofrecen una mayor flexibilidad y una apariencia estética superior, ya que eliminan las juntas de calzada, lo que mejora la comodidad y reduce el desgaste del tablero al tráfico.

Principales ventajas de los puentes losa pretensados:

  • Resistencia y durabilidad: estos puentes ofrecen una alta resistencia a la torsión y la flexión, por lo que son ideales para soportar cargas variables y condiciones climáticas adversas.
  • Versatilidad en el diseño: gracias a su construcción in situ, es posible adaptarlos a terrenos irregulares o a condiciones complejas, como curvas pronunciadas y anchos variados, lo que permite construirlos con rasantes bajas.
  • Ahorro de materiales y costes: Al diseñarse sin juntas y con posibilidades de aligeramiento, su mantenimiento resulta menos costoso en comparación con otras tipologías.

2. Predimensionamiento y limitaciones en los métodos actuales

El predimensionamiento es esencial en la fase preliminar del diseño de puentes con losas pretensadas. Tradicionalmente, los ingenieros utilizan reglas empíricas basadas en la experiencia para definir parámetros geométricos iniciales, como el espesor de la losa, la relación entre el canto y la luz y la cantidad de armadura activa y pasiva. Sin embargo, estos métodos tradicionales tienen limitaciones en cuanto a eficiencia y sostenibilidad, ya que no optimizan el uso de materiales ni reducen el impacto ambiental.

Desventajas de los métodos convencionales de predimensionamiento:

  • Rigidez en el diseño: los métodos empíricos pueden ser inflexibles, lo que limita las opciones de diseño y hace que la estructura no se adapte eficientemente a los criterios de optimización moderna.
  • Ineficiencia económica y ambiental: al no tener en cuenta factores de sostenibilidad y costes, estos métodos pueden provocar un uso excesivo de materiales, lo que aumenta la huella de carbono y el consumo energético.

3. Propuesta de optimización con modelos Kriging y metaheurísticas

La propuesta de los investigadores consiste en aplicar una optimización bifase mediante modelos Kriging combinados con el recocido simulado, un algoritmo heurístico. Esta técnica permite reducir el tiempo de cómputo en comparación con los métodos de optimización tradicionales sin perder precisión. La optimización se centra en tres objetivos clave:

  • Minimización del coste
  • Reducción de emisiones de CO₂
  • Disminución del consumo energético

El Kriging, un tipo de metamodelo, facilita la interpolación de datos en una muestra determinada, lo que permite que los valores estimados sean predictivos y evite el alto coste computacional que conllevan las simulaciones estructurales completas. Para implementar esta técnica, se usa un muestreo de hipercubo latino (LHS), que permite generar variaciones en el diseño inicial de los puentes y proporciona una base sobre la que se aplica el modelo Kriging para ajustar las alternativas optimizadas de diseño.

4. Resultados y comparación con diseños convencionales

A continuación, se exponen los principales hallazgos del estudio, basados en la optimización de puentes reales y en la comparación con métodos empíricos:

  • Esbeltez y espesor de la losa: la investigación recomienda que aumentar la relación entre el canto y la luz mejora la sostenibilidad del diseño. Los puentes optimizados presentan relaciones de hasta 1/30, en comparación con el rango usual de 1/22 a 1/25.
  • Volumen de hormigón y armaduras: los resultados muestran una disminución del volumen de hormigón y del número de armaduras activas necesarias, mientras que aumenta el número de armaduras pasivas. Este ajuste permite reducir tanto el coste como las emisiones.
  • Uso de materiales de construcción: se recomienda el uso de hormigón de resistencia entre 35 y 40 MPa para obtener una combinación óptima entre coste y sostenibilidad. La cantidad de aligeramientos interiores y exteriores también contribuye significativamente a la reducción del peso total sin comprometer la resistencia.

Comparativa de materiales:

  • Cuantía de hormigón: entre 0,55 y 0,70 m³ por m² de losa. La optimización reduce el consumo a 0,60 m³ para puentes económicos y a 0,55 m³ para priorizar la reducción de emisiones.
  • Armadura activa: la cantidad recomendada es inferior a 17 kg/m² de tablero. Esto representa una reducción significativa en comparación con los diseños tradicionales, que promedian alrededor de 22,64 kg/m².
  • Armadura pasiva: se debe aumentar la cuantía hasta 125 kg/m³ para proyectos de alta sostenibilidad, en contraste con los valores convencionales.

5. Herramientas prácticas para los proyectistas: nomogramas para el predimensionamiento

Uno de los aportes más valiosos del estudio es la creación de nomogramas que permiten a los ingenieros realizar predimensionamientos precisos con un mínimo de datos. Los nomogramas se desarrollaron mediante modelos de regresión múltiple y ofrecen una forma rápida de estimar:

  • La cantidad de hormigón necesaria.
  • El espesor de la losa.
  • La armadura activa en función de la luz del puente y los aligeramientos aplicados.

Estos nomogramas son útiles en las primeras fases de diseño, ya que permiten obtener valores cercanos a los óptimos de manera rápida y eficiente. Los gráficos incluyen secuencias de cálculo específicas con ejemplos de puentes con luces de 34 m y aligeramientos medios (interior de 0,20 m³/m² y exterior de 0,40 m³/m²), lo que facilita un proceso de diseño preliminar que cumple con criterios de sostenibilidad.

Figura 2. Nomograma para estimar el canto del tablero (m). Fuente: Yepes-Bellver et al. (2024)

6. Recomendaciones para el diseño sostenible de puentes losa pretensados aligerados

Basándose en los resultados de optimización, el estudio recomienda ajustar ciertos parámetros de diseño para mejorar la sostenibilidad y reducir los costes:

  • Aumento de la relación canto/luz: se debe aumentar la relación a 1/26 o incluso 1/30 para conseguir diseños sostenibles.
  • Reducción del hormigón utilizado: limitar el uso de hormigón a 0,60 m³/m², o menos si la prioridad es reducir las emisiones.
    Cuantía de armaduras: para la armadura pasiva, se recomienda un mínimo de 125 kg/m³, mientras que la armadura activa debe reducirse a 15 kg/m² de losa.
    Aligeramientos amplios: utilizar aligeramientos significativos (interior de 0,20 m³/m² y exterior de 0,50 m³/m²) para reducir el peso estructural y minimizar el material empleado.

7. Conclusión: innovación en el diseño de infraestructuras sostenibles

El uso de modelos predictivos, como el Kriging, y de técnicas de optimización avanzada en el diseño de puentes supone un gran avance hacia la construcción de infraestructuras sostenibles y eficientes. Estos métodos permiten reducir costes y minimizar el impacto ambiental, dos factores críticos en la ingeniería moderna. Al promover estos enfoques, la investigación allana el camino hacia políticas de infraestructura más responsables y sostenibles, un objetivo alineado con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS).

8. Perspectivas futuras: expansión de la metodología de optimización

Los autores proponen continuar esta línea de investigación aplicando el modelo Kriging y otros metamodelos a diversas estructuras de ingeniería civil, como marcos de carretera, muros de contención y otros tipos de puentes. Esta expansión podría sentar las bases para nuevos estándares en el diseño de infraestructuras sostenibles.

Este estudio se presenta como una herramienta esencial para ingenieros y proyectistas interesados en mejorar el diseño estructural mediante métodos modernos de optimización, ya que ofrece un enfoque práctico y avanzado para lograr una ingeniería civil más sostenible.

Os dejo la presentación que se hizo en el congreso:

Como está publicado en abierto, os dejo la comunicación completa a continuación:

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Referencia:

YEPES-BELLVER, L.; MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Análisis del predimensionamiento de tableros óptimos de puentes losa pretensados aligerados y su incidencia en el proyecto estructural. 28th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 3-4 de julio, Jaén (Spain), pp. 407-419. DOI:10.61547/2402010

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

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

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

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

Vigas híbridas: concepto y ventajas

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

Metodología y análisis

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

Sostenibilidad y beneficios económicos

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

Desafíos y áreas futuras de investigación

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

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

Implicaciones para la industria de la construcción

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

Referencia:

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

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

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Innovador método para planificar el mantenimiento de infraestructuras públicas optimiza los beneficios sociales y el desarrollo urbano

Un estudio reciente de Jorge Salas y Víctor Yepes, publicado en la prestigiosa revista Structure and Infrastructure Engineering, ha propuesto un enfoque innovador para la planificación del mantenimiento de infraestructuras públicas con el objetivo de mejorar la entrega de beneficios sociales en el contexto urbano. Esta investigación parte de la premisa de que el estado de conservación de las infraestructuras críticas (hidráulicas, energéticas y de comunicaciones) y de las instalaciones públicas, como escuelas, hospitales, parques y viviendas sociales, influye directamente en la calidad de vida de las comunidades y, en consecuencia, en el desarrollo urbano sostenible (SUD, por sus siglas en inglés). Sin embargo, el mantenimiento de estas infraestructuras plantea retos significativos, dado que las autoridades locales se enfrentan a restricciones presupuestarias que les impiden acometer todas las reparaciones necesarias de manera simultánea.

El problema de la priorización en el mantenimiento público

En su trabajo, Salas y Yepes destacan la dificultad que enfrentan los municipios al tener que decidir qué instalaciones deben recibir mantenimiento prioritario. La falta de una planificación eficiente puede llevar a que muchas infraestructuras públicas entren en un estado de deterioro que reduce su capacidad para ofrecer beneficios sociales, como el acceso a la educación, a la salud o a espacios recreativos. Así, los autores plantean un marco de decisión para planificar y programar el mantenimiento correctivo, que combina un análisis multicriterio con una evaluación económica, con el objetivo de maximizar los beneficios sociales y minimizar los costes.

La metodología CRISDUSEC

La metodología propuesta, implementada en un software llamado CRISDUSEC, se basa en la evaluación de diferentes criterios para priorizar las acciones de mantenimiento. Estos criterios incluyen el tipo de infraestructura social, su estado de conservación y el coste de restaurarla. Además, se tiene en cuenta el impacto que cada instalación tiene en el desarrollo sostenible de la comunidad a la que pertenece. La innovación de este enfoque radica en la integración de diversas variables en un marco analítico que permite a los planificadores urbanos tomar decisiones más informadas y eficientes.

El software CRISDUSEC, utilizado en el caso de estudio de la región de Valencia, permite a los expertos evaluar el impacto de la infraestructura pública en el desarrollo sostenible en función de su estado de mantenimiento y de su tipo. Una de las principales conclusiones del estudio es que las infraestructuras como los hospitales y los mercados públicos, así como las infraestructuras críticas, debido a su mayor sensibilidad a su estado de conservación, generan un impacto social más negativo cuando no están en condiciones óptimas, en comparación con los parques o las áreas recreativas, que son más tolerantes al deterioro. Esto implica que el mantenimiento de ciertos tipos de infraestructura debe priorizarse por su importancia crítica en la vida diaria de los ciudadanos.

Resultados y recomendaciones

Los resultados del estudio destacan que, mediante una planificación adecuada basada en esta metodología, es posible maximizar los beneficios sociales derivados del mantenimiento de las infraestructuras públicas, especialmente en las zonas urbanas que requieren una regeneración urgente. Por ejemplo, en el caso de Valencia, los hospitales y los centros educativos fueron identificados como infraestructuras clave cuya restauración genera el mayor retorno social. En cambio, otras infraestructuras, como parques y áreas deportivas, aunque importantes, tienen un impacto menor en el desarrollo urbano sostenible cuando se encuentran en un estado de mantenimiento deficiente.

Otra conclusión relevante es que la metodología permite diseñar planes estratégicos a medio y largo plazo que ayudan a los gobiernos locales a programar las acciones correctivas de manera más eficiente, optimizando la distribución de recursos y minimizando los retrasos en la entrega de prestaciones sociales a la ciudadanía. Este enfoque también se alinea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas, que promueven la inversión en infraestructuras sociales como pilar para mejorar la calidad de vida en las ciudades.

Implicaciones y aplicaciones futuras

Este trabajo constituye una herramienta valiosa para los gestores públicos y los planificadores urbanos que buscan equilibrar las demandas sociales con las restricciones presupuestarias. Además, el estudio sienta las bases para futuras investigaciones que exploren la adaptación de este marco a otros contextos regionales o nacionales, así como la inclusión de nuevas variables, como el impacto ambiental, que podrían enriquecer aún más el análisis.

 

En conclusión, la investigación de Salas y Yepes ofrece una solución práctica para los desafíos actuales en materia de mantenimiento de infraestructuras públicas, ya que proporciona un enfoque claro y bien fundamentado para maximizar el retorno social de las inversiones en mantenimiento, garantizando así un desarrollo urbano más justo y sostenible.

Referencia:

SALAS, J.; YEPES, V. (2024). Improved delivery of social benefits through the maintenance planning of public assets. Structure and Infrastructure Engineering, 20(5):699-714. DOI:10.1080/15732479.2022.2121844

Métodos multicriterio: la clave para rehabilitar edificios vulnerables en zonas sísmicas

Un equipo de investigadores de la Universitat Politècnica de València y de la Universidad Central del Ecuador ha llevado a cabo un análisis exhaustivo de los métodos de toma de decisiones multicriterio (MCDM) aplicados a la evaluación, selección y rehabilitación de edificios. Publicado en la prestigiosa revista Journal of Civil Engineering and Management, este artículo aborda una problemática clave en la ingeniería civil actual: cómo hacer frente al envejecimiento del parque de edificios, muchos de los cuales se construyeron siguiendo normativas de seguridad y sostenibilidad ya obsoletas.

La necesidad de abordar esta cuestión es urgente, dado que muchos edificios existentes no cumplen con los estándares actuales de seguridad, en particular en cuanto a su vulnerabilidad sísmica. Este factor es especialmente relevante en países con un alto riesgo, donde recientes terremotos han evidenciado la fragilidad de las infraestructuras más antiguas. Además de las posibles pérdidas humanas, el impacto económico y social de estos eventos puede ser devastador.

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 es fruto de una colaboración internacional entre investigadores de Ecuador y España.

Contexto de la investigación

El envejecimiento del parque de edificios es un problema global que afecta tanto a países desarrollados como a países en vías de desarrollo. Muchos edificios antiguos se construyeron siguiendo normativas obsoletas que no tenían en cuenta los estándares de seguridad modernos, especialmente en lo que respecta al riesgo sísmico. A esto se suma la necesidad de hacer frente a desafíos medioambientales, como el impacto de la construcción en el consumo energético y en las emisiones de CO₂. Ante esta situación, surge la necesidad de adoptar estrategias de rehabilitación que integren la seguridad estructural y la sostenibilidad. La integración de factores sociales, económicos y ambientales en la toma de decisiones sobre la rehabilitación de edificios es fundamental para avanzar hacia un entorno construido más seguro y sostenible.

Metodología

La investigación se basa en una revisión bibliométrica de la literatura sobre los métodos de MCDM aplicados a la evaluación y la rehabilitación de edificios. Se analizaron 91 artículos publicados entre 2008 y 2023, utilizando bases de datos especializadas como Web of Science y SCOPUS. Los estudios seleccionados abordan tanto la evaluación de la vulnerabilidad de los edificios como la selección de estrategias de rehabilitación, con un enfoque particular en edificios escolares y patrimoniales, que suelen estar más expuestos a riesgos debido a su antigüedad o a su importancia cultural.

Se evaluaron las tendencias en el uso de los métodos MCDM y se identificaron investigaciones clave que han evaluado conjuntamente el consumo energético y la vulnerabilidad sísmica. Estas investigaciones destacan la necesidad de contar con metodologías que permitan evaluar múltiples factores de manera simultánea y en contextos de incertidumbre, especialmente en el caso de estructuras vulnerables, como las escuelas y los edificios patrimoniales, que requieren un enfoque especializado tanto por su valor cultural como por su complejidad estructural. Los investigadores clasificaron los diferentes métodos MCDM más utilizados, como el Proceso de Análisis Jerárquico (AHP), el Simple Additive Weighting (SAW) y el TOPSIS. Cada método se evaluó en función de su capacidad para integrar criterios contradictorios, como la seguridad estructural, el impacto económico, social y ambiental.

Resultados

El estudio revela la prevalencia de ciertos métodos clásicos en la investigación científica, como el ya mencionado AHP, que se ha combinado en muchos estudios con TOPSIS, un enfoque que permite identificar soluciones óptimas al considerar tanto la distancia a una solución ideal como a una no ideal. Este enfoque se ha aplicado tanto a la selección de edificios que requieren intervenciones urgentes como a la identificación de estrategias de rehabilitación más eficaces. Estos métodos permiten ponderar diversos criterios y encontrar soluciones que maximicen la seguridad y la sostenibilidad. Entre los principales hallazgos destacan:

  • Evaluación de la vulnerabilidad: Se ha aplicado el MCDM para evaluar la vulnerabilidad de los edificios en zonas urbanas, con un enfoque particular en las escuelas y los edificios patrimoniales. En muchos casos, los estudios integraron criterios de vulnerabilidad sísmica con aspectos socioeconómicos y ambientales.
  • Selección de estrategias de rehabilitación: El estudio identificó tres enfoques principales en la rehabilitación de edificios: la intervención en componentes individuales, la adición de elementos de resistencia y la reducción de las demandas estructurales mediante dispositivos suplementarios. La combinación de sostenibilidad y seguridad ha sido un aspecto clave en estos estudios.
  • Sostenibilidad: Si bien muchos estudios ya integran criterios de sostenibilidad, solo un porcentaje menor (15 %) incorpora el análisis del ciclo de vida (LCA), una herramienta crucial para medir el impacto ambiental a largo plazo de las intervenciones.

Implicaciones

Las conclusiones de este trabajo tienen implicaciones importantes tanto para la práctica de la ingeniería civil como para las políticas públicas. La aplicación de métodos MCDM permite a los ingenieros y responsables de la toma de decisiones considerar una variedad de factores antes de seleccionar una estrategia de rehabilitación para un edificio. Esto es particularmente relevante en áreas de alto riesgo sísmico, donde la rehabilitación de edificios vulnerables puede salvar vidas y reducir las pérdidas económicas.

Además, la integración de criterios de sostenibilidad subraya la importancia de las políticas que promuevan rehabilitaciones que no solo refuercen la seguridad, sino que también reduzcan el impacto ambiental. Los resultados del estudio sugieren que las futuras investigaciones deberían centrarse en la creación de metodologías más avanzadas que manejen mejor la incertidumbre y logren una verdadera integración entre los pilares de sostenibilidad (económico, social y ambiental) y los criterios de seguridad estructural.

En resumen, este estudio ofrece una perspectiva innovadora sobre cómo los métodos de MCDM pueden ayudar a afrontar los retos actuales en la rehabilitación de edificios. Su aplicación no solo mejora la seguridad de las infraestructuras, sino que también permite avanzar hacia un modelo de construcción más sostenible y eficiente. Sus recomendaciones son claras: es necesario seguir investigando para mejorar las soluciones de toma de decisiones que integren de manera efectiva la seguridad estructural y la sostenibilidad. Esto es fundamental no solo para garantizar la seguridad de los edificios, sino también para asegurar que las futuras generaciones puedan disfrutar de un entorno construido resiliente, seguro y sostenible.

Referencia:

VILLALBA, P.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2024). A review of multi-criteria decision-making methods for building assessment, selection, and retrofit. Journal of Civil Engineering and Management, 30(5):465-480. DOI:10.3846/jcem.2024.21621

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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

 

Edificios modulares de acero: una opción sostenible y resistente en zonas sísmicas

Un estudio reciente, titulado «Life cycle assessment of seismic resistant prefabricated modular buildings» y publicado en la prestigiosa revista Heliyon, ha evaluado los beneficios de los edificios modulares prefabricados (PVMB) diseñados para resistir terremotos.

La investigación, liderada por expertos de la Universitat Politècnica de València y la Universidad Central del Ecuador, se llevó a cabo en el marco del proyecto RESILIFE y comparó cuatro sistemas estructurales, tres de ellos basados en tecnología modular (dos de hormigón armado y uno de acero), y un sistema convencional de hormigón armado in situ, en una zona de alto riesgo sísmico.

El análisis tuvo en cuenta tanto los impactos económicos como los ambientales a lo largo de todo el ciclo de vida de los edificios, desde la fabricación hasta la demolición.

 

Contexto del estudio

El sector de la construcción es responsable de una parte importante del consumo de recursos y de las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel global. Dado que el crecimiento poblacional y la demanda de infraestructuras siguen aumentando, las tecnologías como los edificios modulares prefabricados ofrecen una alternativa innovadora para reducir el impacto ambiental. Estos sistemas, que permiten construir fuera del emplazamiento y ensamblar los módulos en la obra, prometen reducir los tiempos y los costes de construcción en un 50 % y un 30 %, respectivamente, lo que los convierte en una opción atractiva en términos de sostenibilidad y eficiencia.

Sin embargo, la adopción de estas tecnologías en áreas sísmicas aún se enfrenta a barreras, principalmente debido a la necesidad de demostrar su capacidad de resistir cargas sísmicas y a la percepción de altos costes iniciales. Por ello, el estudio se centró en un análisis integral de la vida útil para cuantificar dichos beneficios y compararlos con los de las técnicas de construcción convencionales.

Metodología

El estudio evaluó un hospital de cuatro pisos situado en Quito, Ecuador, una región con un alto nivel de actividad sísmica debido a la presencia de dos fuentes principales de terremotos: una zona de subducción y un sistema de fallas activas. Se evaluaron cuatro soluciones estructurales:

  1. Un sistema convencional de hormigón armado construido in situ.
  2. Un sistema modular de hormigón armado con conexiones húmedas (prefabricación con ensamblaje en obra mediante hormigonado).
  3. Un sistema modular de hormigón armado con conexiones secas (ensamblaje mediante pernos y juntas metálicas).
  4. Un sistema modular de acero.

El análisis abarcó las etapas de fabricación, construcción, uso y fin de vida y evaluó tanto el impacto ambiental como el coste económico. Para ello, se utilizaron indicadores como la cantidad de materiales empleados, las emisiones de gases de efecto invernadero y los costes asociados a cada etapa, desde la producción de los módulos hasta su mantenimiento y demolición.

Resultados principales

Los resultados revelaron que, aunque el sistema modular de acero es el más costoso en términos de construcción inicial (un 60 % más caro que el sistema convencional), presenta los mejores resultados en sostenibilidad. Este sistema mostró una reducción significativa de los impactos ambientales, con una disminución del 43 % en las emisiones de gases de efecto invernadero frente al sistema tradicional de hormigón. Además, los ciclos de mantenimiento fueron menores, lo que implica una mayor durabilidad y menos intervenciones a lo largo de su vida útil.

Por otro lado, las alternativas de hormigón modular, si bien también ofrecían beneficios en cuanto a reducción del tiempo de construcción, presentaban mayores impactos ambientales debido al uso intensivo de hormigón y acero de refuerzo. De hecho, el sistema modular con conexiones húmedas resultó ser el menos favorable desde el punto de vista ambiental, con un impacto un 52 % mayor que el del sistema convencional.

Implicaciones del estudio

Este trabajo tiene implicaciones importantes para la construcción en zonas sísmicas. Los autores sugieren que los métodos de construcción modulares no solo son viables desde el punto de vista técnico, sino también en términos de sostenibilidad ambiental, siempre y cuando se adopten las soluciones más eficientes, como el uso de estructuras de acero. Aunque los sistemas modulares de acero son más caros, ofrecen ventajas claras en cuanto a durabilidad, menor impacto ambiental y reducción de los costos de mantenimiento a lo largo de su vida útil.

El estudio también pone de relieve la importancia de evaluar no solo los costes iniciales de construcción, sino también el ciclo de vida completo de las infraestructuras. Las decisiones basadas únicamente en el precio de construcción pueden dar como resultado infraestructuras menos sostenibles a largo plazo, mientras que un enfoque integral, que tenga en cuenta el impacto ambiental y los costes futuros, puede conducir a mejores decisiones tanto para el medio ambiente como para la economía.

Conclusiones

En resumen, este estudio aporta valiosas evidencias a favor del uso de edificios modulares prefabricados, especialmente en zonas de alto riesgo sísmico. Los resultados indican que el uso de sistemas modulares de acero puede ser clave para mejorar la sostenibilidad de las infraestructuras, reducir las emisiones y asegurar una mayor durabilidad de los edificios. Las conclusiones de esta investigación son relevantes no solo para el ámbito académico, sino también para los responsables de políticas públicas y los profesionales de la construcción que buscan soluciones más sostenibles y eficientes para las ciudades del futuro.

Referencia:

GUAYGUA, B.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2024). Life cycle assessment of seismic resistant prefabricated modular buildings. Heliyon, 10(20), e39458. DOI:10.1016/j.heliyon.2024.e39458

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Métodos modernos de construcción mejoran la sostenibilidad de estructuras en entornos costeros agresivos

Un estudio reciente, titulado «Sustainable preventive maintenance of MMC-based concrete building structures in a harsh environment», ha sido publicado en el Journal of Building Engineering, una de las revistas de mayor prestigio en el ámbito de la ingeniería civil. Desarrollado en el marco del proyecto RESILIFE, investiga la sostenibilidad del mantenimiento preventivo de estructuras de hormigón armado en entornos agresivos, como las zonas costeras, donde la corrosión por cloruros representa una amenaza constante.

El trabajo se centra en aplicar métodos modernos de construcción (MMC) para optimizar el impacto ambiental, económico y social de las estructuras a lo largo de su ciclo de vida.

Contexto del estudio

La industria de la construcción es una de las mayores consumidoras de recursos no renovables y genera un impacto significativo en el medio ambiente. En la Unión Europea, el sector es responsable de más del 40 % del consumo energético y del 36 % de las emisiones de CO₂. Ante este escenario, iniciativas como el Green Deal europeo buscan mitigar estos impactos y alcanzar la neutralidad de carbono para 2050. En este contexto, los métodos de construcción sostenibles y eficientes han cobrado gran relevancia. En este contexto, los MMC emergen como una alternativa innovadora que combina materiales convencionales con técnicas constructivas no convencionales, orientadas a mejorar la eficiencia y a reducir el impacto ambiental.

El objetivo de la investigación fue aplicar estos métodos a la construcción de estructuras de hormigón en áreas costeras, específicamente en un edificio residencial público situado frente al mar en Sancti Petri (Cádiz). En el estudio se analizaron diez opciones de diseño para las losas de hormigón armado, considerando factores como la economía, el impacto ambiental y social y los ciclos de mantenimiento preventivo que cada opción requeriría durante la vida útil del edificio, estimada en 50 años.

Metodología y opciones de diseño

El estudio se centró en evaluar la durabilidad y la sostenibilidad de diferentes alternativas de diseño en condiciones adversas, como la exposición constante a cloruros, que aceleran la corrosión del refuerzo de acero del hormigón. Para ello, se evaluaron varias técnicas, entre ellas la adición de humo de sílice al 5 %, el uso de cenizas volantes, el empleo de cemento sulforresistente o el incremento de la capa de recubrimiento del hormigón. También se consideraron medidas como la protección catódica y el uso de inhibidores de corrosión hidrofóbicos, con el fin de minimizar los ciclos de mantenimiento necesarios para preservar la estructura.

Resultados más relevantes

Los resultados indicaron que el empleo de hormigón con un 5 % de humo de sílice fue la opción más sostenible en términos económicos y ambientales, ya que redujo significativamente los ciclos de mantenimiento. Este material mostró una excelente resistencia a la corrosión, por lo que se redujeron las reparaciones necesarias durante los 50 años de vida útil del edificio. Además, la impregnación hidrofóbica resultó eficaz para reducir los impactos sociales, ya que requiere menos intervenciones durante la fase de mantenimiento, lo que disminuye los riesgos laborales y los costes sociales asociados.

El estudio también subraya la importancia de adoptar un enfoque holístico en la evaluación de la sostenibilidad. En lugar de centrarse solo en los aspectos económicos o ambientales, los autores emplearon un método de toma de decisiones multicriterio que integra estos factores con el impacto social. De hecho, la investigación reveló que una opción basada en el uso de cemento sulforresistente logró un aumento del 86 % en su calificación de sostenibilidad en comparación con el diseño de referencia.

Implicaciones y conclusiones

Este trabajo tiene importantes implicaciones para el diseño y el mantenimiento de infraestructuras en entornos expuestos a condiciones agresivas. Los autores sugieren que el enfoque tradicional, que a menudo se centra en minimizar los costes iniciales de construcción, debe reorientarse hacia una estrategia a largo plazo que considere todo el ciclo de vida de la estructura. De este modo, no solo se puede garantizar la viabilidad económica, sino también la reducción del impacto ambiental y social de las construcciones.

Además, el estudio pone de relieve la necesidad de promover políticas y normativas que incentiven el uso de materiales duraderos y de métodos de mantenimiento preventivo, especialmente en zonas costeras, donde los edificios son particularmente vulnerables a la corrosión. El uso de métodos modernos de construcción (MMC) y la evaluación integral del ciclo de vida podrían ser claves para cumplir con los objetivos de sostenibilidad globales y garantizar la durabilidad de las infraestructuras frente a los desafíos ambientales futuros.

Referencia:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2024). Sustainable preventive maintenance of MMC-based concrete building structures in a harsh environment. Journal of Building Engineering, 95:110155. DOI:10.1016/j.jobe.2024.110155

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Os dejo un podcast en inglés sobre este artículo. Espero que os guste.

Redes neuronales y metamodelos Kriging para la optimización de la energía en puentes losa pretensados

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability, indexada en el JCR. El artículo evalúa la eficacia de las redes neuronales artificiales y de los modelos sustitutos de Kriging para optimizar la energía incorporada de los puentes de losas pretensadas, y proporciona recomendaciones prácticas para mejorar el diseño y la sostenibilidad.

El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación RESILIFE , que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

A continuación, se presenta un resumen sintético del trabajo.

 

 

Introducción

  • La industria de la construcción contribuye significativamente al consumo mundial de energía y a las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que suscita un interés creciente por mejorar las prácticas de sostenibilidad.
  • El hormigón pretensado destaca por sus ventajas, que incluyen la durabilidad, la reducción del mantenimiento y la rapidez de construcción, a pesar de los costes iniciales más altos que los de los métodos tradicionales.
  • Las investigaciones indican que existe una brecha en la optimización de la energía incorporada en los puentes de losas de hormigón, lo que exige una mayor exploración y el uso de metodologías innovadoras, como el Kriging y las redes neuronales artificiales, para optimizar su diseño de manera efectiva.

Descripción de la cubierta del puente de losa aligerada

  • Los diseñadores suelen utilizar una relación canto/luz de 1/25 para las losas de carreteras con el fin de garantizar su integridad estructural. Los diseños de losas aligeradas ofrecen ventajas en rigidez frente a la flexión y en adaptabilidad.
  • El estudio se centra en una configuración de losas aligeradas pretensadas adecuada para los pasos superiores, con el objetivo de mejorar la eficiencia del diseño y el rendimiento estructural.
  • La teoría del estado límite se emplea para verificar la resistencia estructural mediante software avanzado para el modelado tridimensional y el análisis de cargas.
Figura 2. Imagen aérea de la estructura, situada en Cocentaina (Alicante). Imagen: Google Maps.

Metodología

  • El estudio analiza varios materiales, incluidos tipos específicos de acero y calidades de hormigón, para optimizar el diseño del puente de losa aligerada.
  • Se utilizan dos metamodelos predictivos, Kriging y redes neuronales, con el fin de optimizar el diseño propuesto del puente de losas.
  • La metodología incluye una fase de diversificación para la optimización inicial y otra de intensificación para refinar los resultados, midiendo los errores de predicción mediante el error cuadrático medio (RMSE).

Metamodelo Kriging

  • Kriging se emplea para estimar las necesidades de energía del puente de losas, utilizando un enfoque determinista que proporciona respuestas consistentes basadas en los datos de entrada.
  • La «caja de herramientas de Kriging de MATLAB» se utiliza para crear un modelo sustituto, y el LHS (LHS) mejora el proceso de muestreo para representar mejor el espacio de diseño.
  • Este método permite realizar pruebas computacionales eficientes y, al mismo tiempo, minimizar los errores sistemáticos, lo que lo hace adecuado para tareas complejas de optimización estructural.

Red neuronal artificial

  • Las ANN están estructuradas en capas de neuronas, donde las capas ocultas utilizan funciones sigmoide para procesar las entradas y la capa de salida emplea funciones lineales para realizar las predicciones.
  • El modelo de perceptrón multicapa (MLP) destaca por su capacidad para aproximar funciones de manera eficaz, basándose en el algoritmo de retropropagación para el entrenamiento.
  • El estudio hace hincapié en la importancia de la validación cruzada para evitar el sobreaprendizaje y garantizar un rendimiento sólido de la red neuronal en distintos conjuntos de datos.

Visualización de los datos observados

  • La gráfica de contorno de los datos observados revela múltiples valores óptimos locales, lo que evidencia la complejidad del problema de optimización y las limitaciones de los modelos de regresión tradicionales.
  • Esta complejidad requiere el uso de modelos predictivos avanzados para identificar con precisión las soluciones óptimas en el espacio de diseño.

Comparación de modelos predictivos

  • Los modelos de Kriging son deterministas, mientras que las redes neuronales incorporan variabilidad al basarse en la selección aleatoria de datos para su entrenamiento y validación.
  • El rendimiento de la red neuronal se estabiliza mediante múltiples ejecuciones, lo que permite una comparación más fiable entre los valores medios y las predicciones de Kriging.

Análisis de errores

  • El promedio de las predicciones de la red neuronal coincide estrechamente con los resultados del modelo de Kriging, aunque la red neuronal presenta un error cuadrático medio (MSE) y un error cuadrático medio (RMSE) más bajos.
  • El análisis destaca la necesidad de una evaluación exhaustiva de la capacidad de la red neuronal para identificar los valores óptimos, comparando las predicciones en todos los puntos de datos.

Recomendaciones prácticas

  • El estudio proporciona recomendaciones prácticas para reducir las emisiones en los puentes de losas pretensadas, incluidas directrices específicas sobre el contenido de hormigón y de refuerzo.
  • Los hallazgos sugieren que tanto las redes neuronales como las de Kriging pueden identificar eficazmente los valores óptimos locales, lo que ayuda a los ingenieros estructurales a optimizar los diseños para obtener beneficios económicos y ambientales.
  • Haciendo hincapié en la importancia de los modelos sustitutivos, la investigación aboga por su uso para perfeccionar los procesos de diseño y mejorar los resultados en materia de sostenibilidad.

Conclusiones

  • Se subraya la complejidad de la superficie de respuesta al consumo de energía, ya que tanto el Kriging como las redes neuronales predicen valores superiores a los observados.
  • El modelo de Kriging muestra un error relativo menor en las predicciones óptimas locales en comparación con la red neuronal, que, sin embargo, muestra un rendimiento de RMSE superior.
  • El estudio concluye que, si bien Kriging proporciona resultados deterministas, las redes neuronales requieren múltiples iteraciones para estabilizar los resultados, lo que aporta información valiosa para optimizar los diseños estructurales.

ABSTRACT:

The main objective of this study is to assess and contrast the efficacy of distinct spatial prediction methods in a simulation aimed at optimizing the embodied energy during the construction of prestressed slab bridge decks. A literature review and cross-sectional analysis have identified crucial design parameters that directly affect the design and construction of bridge decks. This analysis determines the critical design variables to improve the deck’s energy efficiency, providing practical guidance for engineers and professionals in the field. The methods analyzed in this study are ordinary Kriging and a multilayer Perceptron neural network. The methodology involves analyzing the predictive performance of both models through error analysis and assessing their ability to identify local optima on the response surface. Results show that both models generally overestimate observed values. The Kriging model with second-order polynomials yields a 4% relative error at the local optimum, while the neural network achieves lower root-mean-square errors (RMSE). Neither the Kriging model nor the neural network provides precise predictions, but points to promising solution regions. Optimizing the response surface to find a local minimum is crucial. High slenderness ratios (around 1/28) and a concrete grade of 40 MPa are recommended to improve energy efficiency.

KEYWORDS:

bridges; embodied energy; optimization; prestressed concrete; artificial neural network; surrogate model; Kriging; sustainability

REFERENCE:

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Artificial neural network and Kriging surrogate model for embodied energy optimization of prestressed slab bridges. Sustainability, 16(19), 8450; DOI:10.3390/su16198450

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Impacto social y económico de los resultados previstos del proyecto de investigación RESILIFE

Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)

En varios artículos anteriores ya presentamos muchos de los aspectos que justifican el proyecto de investigación RESILIFE: Optimización resiliente del ciclo de vida de estructuras híbridas y modulares de alta eficiencia social y medioambiental bajo condiciones extremas, del cual soy investigador principal junto con el profesor Julián Alcalá. En este artículo queremos resaltar la línea de trabajo del grupo de investigación y las razones por las que este proyecto supone un salto cualitativo.

Entre los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) para 2030, destaca la necesidad de construir infraestructuras resilientes. Entre 2003 y 2013, los desastres naturales y humanos causaron más de 1,1 millones de muertes, afectaron a más de 2000 millones de personas y generaron pérdidas de 1,5 billones de dólares. Los apagones en las redes eléctricas por condiciones meteorológicas adversas costaron entre 18 000 y 33 000 millones de dólares entre 2003 y 2012. Los errores de construcción y diseño provocaron el 65 % de los casos de colapso progresivo. En Europa, solo la mitad de las reparaciones de edificios de hormigón resultaron efectivas, a pesar de que los costes de rehabilitación representan casi la mitad de las inversiones anuales en construcción. El mercado mundial de construcción de infraestructuras, valorado en 2,242 mil millones de dólares en 2021, se proyecta en 3,267 mil millones para 2027, con un crecimiento anual del 6,48 %.

Ante este panorama, un diseño adecuado y medidas preventivas locales son cruciales para salvar vidas e infraestructuras, pero, además de reducir el riesgo, constituyen una fuente de creación de empleo especializado que debe formarse en estas técnicas. Por tanto, se espera un impacto social y económico relevante del proyecto RESILIFE. Publicaciones previas del grupo de investigación centradas en la optimización multiobjetivo (sin considerar la toma de decisiones multicriterio derivada de la participación social) muestran ahorros del 10 % al 50 % en costes, ahorros de materiales, reducciones de emisiones de CO₂ y de consumo de energía. Por otra parte, en proyectos anteriores se hizo hincapié en los aspectos sociales de la optimización de las infraestructuras. Ello supuso incorporar aspectos relativos a la seguridad de las personas, la equidad social intergeneracional, la salud, la educación, la integración del análisis de género, entre otros, que ahora se incluyen en este proyecto. El grupo dispone de la metodología para su inclusión en la construcción industrializada modular y en las estructuras híbridas. En este sentido, la construcción modular industrializada (también llamada off-site) ofrece ventajas significativas, ya que permite ahorros de hasta el 50 % en los plazos, reduce el desperdicio, se fabrica con tolerancias estrictas y mejora la seguridad al estandarizar los procesos en fábrica. Permite ahorros de hasta el 50 % en los plazos, reduce el desperdicio, se fabrica con tolerancias estrictas y mejora la seguridad al estandarizar los procesos en fábrica. Además, la pandemia ha demostrado, por ejemplo, mediante la construcción de dos hospitales de campaña en Wuhan (China) en solo 12 días, que este tipo de construcción modular puede solucionar graves problemas de alto impacto social y económico en situaciones de crisis futuras. También existe una creciente demanda social de vivienda que, en países como Suecia o Japón, ha impulsado la construcción modular a gran escala.

Los resultados del proyecto RESILIFE pretenden profundizar en las ventajas sociales y económicas. Basta con observar cómo los desastres naturales y, por desgracia, los conflictos bélicos actuales están destruyendo las viviendas e infraestructuras de forma masiva, afectando principalmente a las mujeres y los niños. El esfuerzo por diseñar estructuras capaces de resistir alguno de estos eventos extremos o, en su caso, facilitar la reparación de forma rápida y eficaz, permite reducir considerablemente el sufrimiento de las personas. Además, optar por soluciones que minimicen el colapso progresivo de los edificios y mejoren la eficiencia de la rehabilitación puede tener un impacto significativo. Mejorar el diseño resiliente de las infraestructuras para reducir el impacto en un 10 % supondría una disminución de al menos 15 000 millones de dólares y de 10 000 muertes anuales a nivel mundial. Asimismo, los resultados obtenidos mediante la optimización resiliente completarían la línea de investigación realizada en el ICITECH por el profesor José M. Adam y su equipo para evitar el colapso progresivo de las estructuras, investigación que cuenta con una fuerte inversión en modelización física y numérica. Esta especialización en investigación del ICITECH sitúa a nuestro país en una posición tecnológica de gran importancia en el ámbito de la construcción.

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