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Tesis doctoral: Baterías níquel-zinc: equilibrio óptimo entre coste y sostenibilidad

Ignacio Villalba, Ashwani Kumar y Víctor Yepes

Hoy, 6 de mayo de 2025, ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Ashwani Kumar Malviya, titulada “Optimization of LCA and LCCA for a novel NiZn battery through multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) and its application in e-mobility and smart building infrastructure”, dirigida por los profesores Ignacio Villalba Sanchis y Víctor Yepes. La tesis ha obtenido la máxima calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un pequeño resumen de la misma.

En el contexto de la urgente transición hacia un sistema eléctrico descarbonizado, el almacenamiento energético se ha convertido en un pilar fundamental para integrar fuentes renovables intermitentes, como la solar y la eólica, en la red eléctrica y en aplicaciones de e-movilidad y edificios inteligentes. La tesis de Ashwani Kumar Malviya explora por primera vez de manera integrada la viabilidad de las baterías recargables de níquel-zinc (RNZB), que combinan materias primas abundantes (níquel y zinc), electrólitos acuosos no inflamables y un proceso de producción simplificado que prescinde de salas blancas. Gracias a recientes innovaciones en la formulación de los electrodos, estas celdas de 10 Ah y 60 Wh/kg alcanzan más de 2000 ciclos al 100 % de profundidad de descarga, superando uno de los principales obstáculos de esta tecnología.

El trabajo se estructura en torno a cinco preguntas clave:

  1. ¿Cuál es el coste total de ciclo de vida (LCC) de una batería de litio de níquel (RNZB), desde la extracción de materia prima hasta su fin de vida, medido tanto en €/kg como en €/kWh entregado?
  2. ¿Qué impacto ambiental (LCA) —evaluado en 18 categorías midpoint y 3 endpoint con ReCiPe 2016— genera la RNZB en comparación con baterías de plomo-ácido, LFP y NMC?
  3. ¿Es posible que un algoritmo multiobjetivo (MOPSO) identifique configuraciones de suministro y reciclaje que minimicen simultáneamente el coste de ciclo de vida (LCC) y el impacto ambiental (LCA)?
  4. ¿Hasta qué punto estas soluciones son resistentes ante variaciones de ±20 % en parámetros críticos, tales como la mezcla eléctrica en uso y la eficiencia del ciclo?
  5. ¿En qué medida las preferencias de un panel de expertos, analizadas mediante el proceso de jerarquía analítica (AHP), coinciden con la clasificación de Pareto generada por el MOPSO?

Esta tesis presenta un modelo estructurado que integra ecuaciones de LCC —que incluyen CAPEX, OPEX y fin de vida en función de la masa de batería y la energía suministrada— con un LCA exhaustivo basado en datos de la base Ecoinvent y OpenLCA. La implementación de MOPSO en MATLAB para optimizar ambos indicadores constituye una innovación metodológica de gran valor, pues genera un frente de Pareto de soluciones no dominadas que equilibra coste y huella ambiental. Además, la comparación efectuada demostró que la RNZB puede ofrecer un coste medio de ciclo de vida de aproximadamente 120 €/kWh, en comparación con los 150 €/kWh de LFP y los 180 €/kWh de plomo-ácido, manteniendo un GWP de 0,24 kg CO₂ eq/kWh —inferior a los 0,30 kg CO₂ eq/kWh del plomo-ácido—, lo que sitúa a la RNZB como la opción económicamente más competitiva sin renunciar a un desempeño ambiental favorable.

El estudio establece un alcance «cradle-to-grave», que comprende la extracción de níquel y zinc, la formulación de electrodos (cátodo de NiOOH con un 11,6 % de peso y ánodo de ZnO con un 7,5 %), el transporte, el ensamblaje de celdas de 10 Ah y 60 Wh/kg, los escenarios de uso con diferentes mezclas eléctricas (0-100 % RES) y el fin de vida, que incluye el reciclaje metalúrgico de metales y la valorización energética de plásticos. Para el LCA, se implementó el enfoque ReCiPe 2016 en 18 categorías midpoint (GWP, ODP, entre otras) y 3 endpoint (salud, ecosistemas, recursos). Para el LCC, se desarrollaron fórmulas validadas mediante el uso de OpenLCA. El MOPSO implementado explora variables de origen de materias primas y rutas de reciclaje, manteniendo un archivo diverso de soluciones no dominadas. Una vez concluido el proceso, se realizó un análisis de sensibilidad, que incluyó la evaluación de la variación del mix eléctrico y la eficiencia del ciclo. Posteriormente, se llevó a cabo una validación AHP con un grupo de doce expertos, quienes contrastaron sus preferencias con el ranking de Pareto obtenido.

Los resultados obtenidos evidencian que, en condiciones de mix eléctrico base (100 % red convencional), la RNZB registra un LCC de 120 €/kWh y un GWP de 0,24 kg CO₂ eq/kWh. El MOPSO ha identificado 10 soluciones óptimas que reducen hasta un 15 % el LCC y un 20 % el GWP respecto a la configuración estándar. Al integrar el 75 % de energía renovable en la fase de uso, el GWP desciende a 0,18 kg CO₂ eq/kWh, lo que resulta en una reducción del CED en un 30 %. El análisis de sensibilidad confirmó que estas ventajas se mantienen con variaciones de hasta ±20 % en mix y eficiencia. Asimismo, la validación AHP mostró un 85 % de coincidencia entre las preferencias de los expertos y el ranking de Pareto.

La tesis confirma que las RNZB ofrecen un equilibrio excepcional entre coste y sostenibilidad para aplicaciones estacionarias (almacenamiento residencial, edificios inteligentes y e-movilidad), especialmente si se combinan con un uso mayoritario de RES y se aplican técnicas de «recuperación verde» en el reciclaje. La simplicidad del proceso acuoso y la ausencia de elementos críticos (cobalto) reducen significativamente los riesgos y los costes de suministro. Sin embargo, la dependencia del níquel sugiere la necesidad de diversificar las fuentes de suministro y establecer circuitos cerrados para la recuperación de metales. Desde una perspectiva metodológica, la integración de LCA, LCC, MOPSO y AHP constituye un marco sólido y adaptable a otros sistemas de ingeniería que requieran optimizar múltiples indicadores de manera simultánea.

Tras el análisis llevado a cabo, esta tesis concluye que la RNZB es la opción de ciclo de vida más económica (con un coste aproximado de 120 €/kWh) y que presenta una huella ambiental competitiva (0,24 kg CO₂ eq/kWh). Asimismo, se ha comprobado que un MOPSO bien configurado puede generar frentes de Pareto robustos que reducen hasta un 20 % el GWP y un 15 % el coste. La validación mediante sensibilidad y AHP garantiza la aplicabilidad práctica de las recomendaciones. Se propone como líneas futuras la incorporación de datos en tiempo real de operación, la exploración de electrodos con menor proporción de níquel y la extensión de la metodología a sistemas híbridos de energía para potenciar la circularidad y la resiliencia del sector.

Referencias:

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; MARTÍNEZ-FERNÁNDEZ, P.; YEPES, V. (2024). Optimization of the Life cycle cost and environmental impact functions of NiZn batteries by using Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO). Sustainability, 16(15):6425. DOI:10.3390/su16156425

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; LI, J.; LI, B.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; YEPES, V. (2024). A formulation model for computation to estimate the Life Cycle Environmental Impact of NiZn Batteries. Energies, 17(11):2751. DOI:10.3390/en17112751

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; YEPES, V. (2024). A formulation model for computation to estimate the Life Cycle Cost of NiZn Batteries. Sustainability, 16(5):1965. DOI:10.3390/su16051965

Certificación de la sostenibilidad en la construcción

En el contexto económico español, el sector de la construcción está experimentando un período de notable actividad, influenciado por las fluctuaciones globales y, cada vez más, por factores estructurales relacionados con la sostenibilidad. Un factor clave en esta tendencia es el creciente interés por edificios que sigan los principios ESG (ambientales, sociales y de gobernanza), lo que está reconfigurando las prioridades tanto de la promoción inmobiliaria como de la inversión.

Esta tendencia hacia la sostenibilidad resulta de particular importancia, dada la significativa repercusión ambiental del sector. Se estima que los edificios representan cerca del 40 % del consumo energético y de las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que los convierte en un sector clave dentro de la estrategia europea de neutralidad climática a 2050. En España, este desafío cobra especial relevancia, dado que aproximadamente el 70 % del parque edificado presenta obsolescencia funcional o energética, lo que representa un importante margen para mejorar su desempeño ambiental.

El avance hacia un modelo constructivo más sostenible es impulsado, en parte, por ciertos actores institucionales que actúan como catalizadores para la adopción de prácticas responsables. AENOR ha desempeñado un papel clave en la promoción de la sostenibilidad en el sector de la edificación, desarrollando y aplicando sistemas de certificación específicos. Esta situación ha guiado la actividad constructiva hacia estándares más rigurosos, alineados con las expectativas sociales y ambientales actuales, fortaleciendo la confianza en el cumplimiento de las buenas prácticas y facilitando la transición del sector hacia un modelo comprometido con la protección del entorno y el bienestar colectivo.

En el contexto de las iniciativas de AENOR destinadas a fomentar la sostenibilidad en el ámbito de la construcción, se ofrece una gama de certificaciones para abordar diversas intervenciones en el sector de la edificación. Iniciativas como la Marca AENOR N Sostenible, Edificio Sostenible, Reforma Sostenible, Rehabilitación Sostenible o el Índice de Contribución a la Sostenibilidad de Constructoras, entre otras, son respuestas a enfoques diferenciados según el tipo y alcance del proyecto. Sin embargo, todas comparten un objetivo común: integrar principios de sostenibilidad en el ciclo de vida de los edificios y reconocer prácticas que contribuyan a una construcción más responsable desde el punto de vista ambiental, social y económico.

  • Entre las iniciativas más notables, destaca la Marca AENOR N Sostenible, que se erige como un referente pionero en España al incorporar de manera explícita el análisis de indicadores ESG (ambientales, sociales y de gobernanza) en sus procesos de certificación. Esta distinción amplía el alcance de la reconocida marca AENOR N, tradicionalmente asociada con la calidad del producto, al integrar parámetros que evalúan de manera integral el desempeño sostenible de las organizaciones. El modelo de evaluación en cuestión abarca aproximadamente veinte indicadores de sostenibilidad, los cuales, al ser ponderados, generan una calificación cuantitativa que permite diagnosticar el nivel de compromiso y establecer una hoja de ruta para la mejora continua. Esta certificación no solo es fundamental para la estrategia de sostenibilidad de los fabricantes, sino que también facilita el acceso a los fondos de financiación del programa Next Generation EU.
  • La certificación AENOR de Edificio Sostenible se enfoca en la utilización de materiales en el proceso de construcción, reconociendo a los fabricantes que han demostrado un compromiso con la evaluación integral de factores sociales, económicos y ambientales. En el ámbito social, se valoran las prácticas laborales relacionadas con el empleo, la salud y seguridad en el trabajo, la formación continua, los beneficios sociales, la igualdad de oportunidades, la libertad de asociación, la integración comunitaria, el buen gobierno y la protección de la privacidad del cliente. En el ámbito económico, se evalúa el desempeño de los fabricantes, los impactos directos e indirectos derivados de sus actividades y sus esfuerzos en innovación y desarrollo. En lo que respecta a la dimensión ambiental, se evalúan aspectos como el consumo de energía y agua, las emisiones y vertidos, el uso de sustancias peligrosas, la contaminación del suelo y las inversiones en iniciativas medioambientales. Esta certificación se encuentra en consonancia con los indicadores de sostenibilidad Level(s) de la Unión Europea, que abarcan áreas como la eficiencia energética, el ahorro de agua, la gestión de residuos, la huella de carbono y el bienestar de los usuarios. Esta compatibilidad con la taxonomía verde comunitaria garantiza que la certificación cumple con los más altos estándares internacionales, lo que fortalece su credibilidad ante los inversores internacionales. Este enfoque exhaustivo asegura que cada elemento de un proyecto de construcción sea examinado con los estándares más rigurosos de sostenibilidad, fomentando así una construcción responsable y respetuosa con el medio ambiente y la sociedad.
  • La certificación AENOR de Reforma Sostenible está destinada a obras de remodelación en unidades residenciales y comerciales en edificios existentes, con el objetivo de mejorar su sostenibilidad. Esta certificación abarca aspectos fundamentales como la optimización de la eficiencia energética, la reducción de la huella de carbono, la gestión de residuos y el consumo responsable de agua. Además, se promueve la creación de espacios saludables y confortables para los usuarios, garantizando el uso de materiales sostenibles, especialmente aquellos certificados con la Marca AENOR N Sostenible. En el contexto de la regeneración del parque de viviendas en España, donde más del 50 % de los edificios residenciales fueron construidos antes de 1980, se destaca la relevancia de implementar prácticas de reforma sostenibles. En este contexto, la Certificación Reforma Sostenible facilita el acceso a las ayudas establecidas en el Real Decreto 853/2021, destinado a la rehabilitación residencial. En consonancia con los objetivos del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima, se promueve la transición hacia una edificación más eficiente y respetuosa con el medio ambiente.
  • La certificación AENOR de Rehabilitación Sostenible se enfoca en la rehabilitación integral de edificios, abarcando tanto la envolvente (fachadas y cubiertas) como intervenciones completas que incluyen las viviendas en su totalidad. Al igual que la certificación de Reforma Sostenible, se evalúan aspectos clave como la eficiencia energética, la huella de carbono, la gestión de residuos y el consumo de agua. No obstante, su alcance es mayor, ya que se aplica a proyectos de rehabilitación globales que transforman edificios antiguos en estructuras modernas, sostenibles y eficientes en términos energéticos. La rehabilitación sostenible es esencial para mejorar la calificación energética de los edificios en España, donde el 81% de los edificios residenciales tienen una calificación E, F o G según las emisiones AENOR. Esta certificación contribuye significativamente al objetivo nacional de rehabilitar 1,2 millones de viviendas entre 2021 y 2030, promoviendo la modernización de la edificación y el avance hacia un parque inmobiliario más eficiente y respetuoso con el medio ambiente.
  • Finalmente, AENOR ha desarrollado la certificación de Índice de Contribución a la Sostenibilidad de las Constructoras, basada en el Anejo 2 del Código Estructural. Esta certificación evalúa diversos indicadores ESG (ambientales, sociales y de gobernanza) de las empresas constructoras, considerando aspectos clave como la gestión y monitoreo de los residuos de las obras, las emisiones de carbono, el consumo de recursos, la gestión de riesgos laborales, la formación de los trabajadores y los sistemas de gestión ambiental, entre otros. Además, permite certificar obras específicas o estructuras, lo que facilita una evaluación detallada de cada proyecto dentro del marco de sostenibilidad.

Las certificaciones de AENOR no solo garantizan la calidad y sostenibilidad de los proyectos de construcción, sino que también fomentan la confianza entre los actores del sector. En la certificación de productos y procesos, se establece una relación de interdependencia entre promotoras, constructoras, asociaciones y consumidores, quienes son responsables de cumplir con los estrictos requisitos de calidad, seguridad y durabilidad establecidos en las normativas.

El compromiso de AENOR con la sostenibilidad se refleja en su capacidad para adaptarse a los cambios y necesidades del mercado. A través de estas certificaciones, AENOR contribuye a la descarbonización del sector de la construcción y promueve la creación de espacios más saludables y eficientes, consolidándose como un referente en la promoción de buenas prácticas sostenibles en el ámbito de la edificación.

Os dejo un vídeo explicativo.

Más información: https://revista.aenor.com/412/como-impulsar-la-sostenibilidad-integral-en-la-construccion.html

Evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras: un análisis multicriterio y sus desafíos

A continuación, explicaremos el contenido de uno de los artículos más citados en nuestro grupo de investigación. El artículo plantea la siguiente pregunta de investigación: ¿Cómo se tratan los aspectos sociales en la evaluación multicriterio de infraestructuras? Esta cuestión se estructura en tres subpreguntas que buscan determinar qué aspectos sociales se valoran en la evaluación de infraestructuras, qué métodos multicriterio se utilizan para evaluar su contribución social y qué enfoques se aplican en la evaluación social multicriterio. La pregunta principal permite dar una respuesta clara en función de los hallazgos del estudio, que se centran en identificar métodos, criterios y limitaciones en la evaluación social de infraestructuras.

El artículo realiza una revisión sistemática de la literatura existente en el campo de la evaluación social de infraestructuras mediante métodos multicriterio. Para ello, se identificaron 94 estudios relevantes mediante una búsqueda en la base de datos Web of Science, que abarca publicaciones entre 1995 y 2017. La metodología de selección se desarrolló en dos fases. La primera consistió en seleccionar inicialmente los estudios, basándose en criterios de pertinencia y revisión por pares. En la segunda fase, se analizaron las referencias y citas de los estudios seleccionados para ampliar la muestra y obtener una visión más completa del tema. Posteriormente, los estudios fueron categorizados según los criterios sociales evaluados, los métodos multicriterio utilizados y las consideraciones de contexto, equidad y aprendizaje social en la evaluación.

El trabajo sistematiza los criterios sociales utilizados en la evaluación de infraestructuras y los clasifica en siete dimensiones. La primera es el capital humano, que abarca las necesidades básicas, la educación y la salud. La segunda dimensión es el capital comunitario, que incluye la opinión pública, la estética y la seguridad. En tercer lugar, se encuentra el capital cultural, relacionado con la preservación de valores culturales tangibles e intangibles. La cuarta dimensión es el capital productivo, que tiene en cuenta la movilidad, la accesibilidad y la urbanización. En quinto lugar, el capital social e institucional se refiere a la participación de los actores y su capacidad de gestión. La sexta dimensión, el sistema socioeconómico, comprende el desarrollo económico regional y el empleo. Finalmente, la séptima dimensión es la relación entre la empresa y la comunidad, que engloba el diseño centrado en el usuario y las prácticas laborales éticas.

Además, el estudio analiza los métodos multicriterio más empleados, entre los que destacan el Analytic Hierarchy Process (AHP), el Simple Additive Weighting (SAW) y el Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS). Se identifican brechas en la consideración de equidad, incertidumbre y aprendizaje social en las evaluaciones existentes, lo que sugiere la necesidad de mejorar los enfoques actuales para una evaluación más integral.

Los hallazgos revelan que la evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras ha recibido menos atención que las dimensiones económica y ambiental. Ciertos criterios, como la movilidad, la seguridad y el desarrollo local, se tienen en cuenta recurrentemente en los estudios analizados, mientras que otros, como la equidad en la distribución de beneficios y la participación comunitaria, se abordan menos. Además, los métodos actuales no abordan de manera adecuada la incertidumbre inherente a los aspectos sociales, lo que limita su aplicabilidad en contextos dinámicos y diversos. Ante esta situación, el artículo propone utilizar herramientas como la teoría de conjuntos difusos y los sistemas grises para mejorar la representación de estos factores en los modelos de evaluación.

El artículo plantea varias líneas de investigación futuras para mejorar la evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras. En primer lugar, se recomienda el desarrollo de métodos que tengan en cuenta la equidad en la distribución de beneficios. En segundo lugar, se plantea la integración de técnicas de gestión de incertidumbre en los modelos multicriterio para mejorar su aplicabilidad en distintos contextos. Asimismo, se enfatiza la necesidad de fortalecer la participación de los interesados en los procesos de evaluación para promover modelos de toma de decisiones más inclusivos. Por último, se sugiere la aplicación de enfoques de aprendizaje social para mejorar la adaptabilidad de las evaluaciones a distintos contextos y garantizar una toma de decisiones más informada y eficaz.

En resumen, el estudio ofrece un análisis detallado sobre la evaluación de la sostenibilidad social en infraestructuras mediante métodos multicriterio. Se destaca la necesidad de mejorar la representación de la equidad y la incertidumbre en los modelos existentes, así como la oportunidad de desarrollar metodologías que fomenten la inclusión de los actores implicados en el proceso de evaluación. Además, se subraya la importancia de promover procesos de aprendizaje social que permitan adaptar mejor las evaluaciones a los distintos contextos en los que se desarrollan las infraestructuras. En este sentido, el artículo supone un avance significativo en la comprensión de la evaluación social de infraestructuras y sentará las bases para futuras investigaciones en este campo.

Glosario de términos clave

  • Evaluación multicriterio: Un conjunto de métodos y técnicas que permiten analizar problemas complejos en los que se deben considerar múltiples criterios, a menudo conflictivos, para tomar una decisión o realizar una valoración.
  • Infraestructura: Las estructuras físicas y organizativas básicas necesarias para el funcionamiento de una sociedad o empresa, como carreteras, puentes, sistemas de energía, comunicaciones, etc.
  • Sostenibilidad Social: Una dimensión de la sostenibilidad que se centra en el impacto de las actividades humanas en las personas y en la sociedad en general, incluyendo aspectos como la equidad, la justicia social, la salud, la seguridad y la participación comunitaria.
  • Revisión sistemática de la literatura: Un método riguroso y transparente para identificar, seleccionar, evaluar y sintetizar todas las evidencias empíricas relevantes para responder a una pregunta de investigación específica.
  • Capital humano: Los conocimientos, habilidades, competencias y atributos incorporados en los individuos que facilitan la creación de valor económico y social.
  • Capital comunitario: Los recursos y relaciones sociales dentro de una comunidad que fomentan la cooperación y el beneficio mutuo, incluyendo aspectos como la confianza, las normas y las redes sociales.
  • Capital cultural: Los activos culturales, tanto tangibles (patrimonio físico, obras de arte) como intangibles (tradiciones, conocimientos, expresiones artísticas), que tienen valor social, económico e histórico.
  • Equidad: La cualidad de ser justo e imparcial, asegurando que los beneficios y las cargas se distribuyan de manera proporcional y considerando las diferentes necesidades y circunstancias.
  • Incertidumbre: La falta de certeza o conocimiento preciso sobre eventos futuros, sus probabilidades y sus posibles consecuencias.
  • Aprendizaje social: Un proceso colectivo a través del cual los individuos y los grupos adquieren nuevos conocimientos, habilidades y comprensiones a través de la interacción, la experiencia y la reflexión conjunta.
  • Analytic Hierarchy Process (AHP): Un método multicriterio que estructura un problema de decisión en una jerarquía de criterios, subcriterios y alternativas, y utiliza comparaciones pareadas para determinar las prioridades relativas.
  • Simple Additive Weighting (SAW): Un método multicriterio que asigna pesos a cada criterio y calcula una puntuación total para cada alternativa multiplicando su rendimiento en cada criterio por el peso del criterio y sumando los resultados.
  • Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS): Un método multicriterio que identifica la alternativa con la distancia más corta a la solución ideal positiva y la distancia más larga a la solución ideal negativa.
  • Teoría de conjuntos difusos: Un marco matemático que permite representar y manejar la imprecisión y la vaguedad en la información, utilizando grados de pertenencia en lugar de la lógica binaria tradicional.
  • Sistemas grises: Un enfoque metodológico diseñado para analizar y modelar sistemas con información incompleta o incierta, utilizando conceptos como intervalos numéricos y números grises para representar la incertidumbre.
  • Partes interesadas (Stakeholders): Individuos, grupos u organizaciones que pueden afectar o ser afectados por las decisiones o actividades de un proyecto o política.

Os dejo un pequeño programa de radio sobre este tema (en inglés).

Os dejo un mapa mental del trabajo.

Referencia:

SIERRA, L.A.; YEPES, V.; PELLICER, E. (2018). A review of multi-criteria assessment of the social sustainability of infrastructures. Journal of Cleaner Production, 187:496-513. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.03.022

Como el artículo se publicó en abierto, lo dejo por si lo queréis consultar.

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Losas aligeradas multiaxiales: innovación y sostenibilidad en los Métodos Modernos de Construcción

Vivienda unifamiliar con losas aligeradas multiaxiales «Unidome»

El artículo de investigación presentado en el 28th International Congress on Project Management and Engineering por los autores Sánchez-Garrido, Yepes-Bellver, Saiz y Yepes es un análisis de losas aligeradas multiaxiales empleadas en edificación.

En la actualidad, el sector de la construcción se enfrenta a desafíos significativos relacionados con la necesidad de optimizar recursos, minimizar el impacto ambiental y satisfacer demandas estructurales complejas. Ante este panorama, los Métodos Modernos de Construcción (MMC) han surgido como una alternativa disruptiva a las técnicas tradicionales. Este artículo analiza la implementación de losas aligeradas multiaxiales, y destaca su diseño, beneficios, impacto en la sostenibilidad y su comparación con estructuras convencionales.

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

El auge de los Métodos Modernos de Construcción

Los MMC, también conocidos como «construcción inteligente», introducen un enfoque industrializado que revoluciona la forma de diseñar y construir edificios. Este concepto, inicialmente popularizado en el Reino Unido, abarca tecnologías modulares y procesos automatizados que hacen que la construcción sea más rápida, económica y sostenible.

A diferencia de los métodos tradicionales, los MMC integran disciplinas como la ingeniería estructural, la arquitectura y la gestión de proyectos. Estas técnicas permiten aprovechar al máximo los materiales, reducir los residuos y acortar los plazos de ejecución. Dentro de este enfoque, destacan las losas aligeradas multiaxiales, una solución que combina eficiencia estructural y sostenibilidad.

Características técnicas de las losas aligeradas

Las losas aligeradas multiaxiales suponen una evolución frente a las losas macizas tradicionales. Su diseño incorpora elementos huecos, como los formadores «Unidome», que sustituyen el hormigón en áreas de baja capacidad portante, lo que genera importantes beneficios estructurales y medioambientales.

  1. Materiales:
    • Hormigón armado.
    • Aligeradores de plástico reciclado (HDPE o PP).
    • Barras de acero para refuerzo y fijación.
  2. Diseño:
    • Reducción de hasta el 35 % del hormigón empleado.
    • Aligeramiento del peso propio de la losa, lo que facilita su transporte y montaje.
    • Incorporación de zonas macizas en áreas críticas, como las cercanas a pilares, para garantizar la resistencia a cortante y al punzonamiento.
  3. Flexibilidad estructural:
    • Reducción de entre un 5-10 % en el canto del forjado.
    • Aumento de luces hasta un 40 % más respecto a las losas macizas.
    • Mejora en la distribución de cargas y en el comportamiento frente a sismos.
  4. Durabilidad:
    • Diseño optimizado para prevenir fallos estructurales por flexión, cortante o cargas axiales.
    • Resistencia al fuego gracias a recubrimientos específicos y diseño uniaxial o biaxial.

Comparativa: estructura convencional frente a MMC

Para evaluar el impacto de las losas aligeradas, se realizó un estudio de caso en un edificio residencial público de Chiclana (Cádiz), donde se compararon dos alternativas estructurales: una convencional y otra basada en MMC.

Opción A: Estructura convencional

  • Características:
    • 10 pilares para luces de 6,6 m.
    • Losas macizas de hormigón armado con espesores de 26-28 cm.
    • Mayor peso propio, que requiere cimentaciones más robustas.
  • Materiales utilizados:
    • 509,87 m³ de hormigón.
    • 59.837 kg de acero.

Opción B: Estructura MMC con losas aligeradas

  • Características:
    • 6 pilares soportan luces de hasta 13,2 m, eliminando filas intermedias.
    • Losas aligeradas de 40-44 cm con un 35 % menos de peso propio en áreas no críticas.
  • Materiales utilizados:
    • 532,60 m³ de hormigón (4,5 % más que la opción A).
    • 69.892 kg de acero (16 % más que la opción A).

Aunque la opción B requiere más materiales, su diseño permite reducir significativamente los elementos estructurales, como los pilares, lo que da como resultado una estructura más esbelta y eficiente. Además, al eliminar soportes intermedios, se obtienen beneficios adicionales como espacios diáfanos, flexibilidad en el diseño interior y menores tiempos de ejecución.

Sostenibilidad: Un enfoque imprescindible

La sostenibilidad es uno de los pilares de los MMC y las losas aligeradas no son una excepción. La implementación de estas losas tiene un impacto positivo que se refleja en diversos aspectos:

  1. Reducción de CO₂:
    • Cada módulo aligerado sustituye hasta un 35% del hormigón, lo que equivale a una reducción promedio de 46 toneladas de CO₂ por módulo construido.
    • Uso de plástico reciclado para los aligeradores, disminuyendo la dependencia de materiales vírgenes.
  2. Eficiencia energética:
    • Menor consumo de energía en la producción y transporte de materiales.
    • Reducción del 20% en el gasto energético durante la construcción.
  3. Optimización de recursos:
    • Ahorro de agua en el proceso de fabricación del hormigón.
    • Disminución del peso propio, lo que optimiza cimentaciones y reduce la cantidad de acero requerido.

Resultados concretos

En el estudio comparativo, las losas MMC redujeron las emisiones de CO₂ en un 25 % por metro cuadrado, mientras que su transporte requirió un 30 % menos de camiones en comparación con las losas macizas tradicionales.

Aplicaciones prácticas y retos futuros

Las losas aligeradas tienen un amplio rango de aplicaciones, desde edificios residenciales hasta rascacielos y escuelas. Su adaptabilidad permite implementarlas en forjados y cimentaciones con espesores que van desde los 20 cm hasta los 80 cm. No obstante, todavía enfrentan ciertos desafíos:

  • Aceptación del mercado: La estandarización y la capacitación de los profesionales son esenciales para su adopción masiva.
  • Optimización del diseño: Futuras investigaciones buscan extender las aplicaciones a cargas y luces mayores, comparando su desempeño con otras soluciones como forjados reticulares o postensados.

Beneficios adicionales para los proyectos

Además de los aspectos técnicos y sostenibles, las losas aligeradas ofrecen ventajas tangibles para los equipos de diseño y construcción:

  1. Simplificación del proyecto:
    • Geometrías más sencillas y menos complejas.
    • Reducción de cargas estructurales, lo que facilita el cálculo estático.
  2. Velocidad de construcción:
    • Los formadores de huecos llegan preensamblados o listos para instalar, reduciendo los tiempos de montaje.
    • El menor peso de los elementos acelera el proceso de hormigonado.
  3. Versatilidad arquitectónica:
    • Mayor libertad en la distribución de espacios interiores.
    • Facilidad para abrir huecos adicionales o modificar diseños.

Conclusiones

Los Métodos Modernos de Construcción, y específicamente las losas aligeradas multiaxiales, representan un cambio de paradigma en la ingeniería civil. Al reducir el uso de materiales y optimizar recursos, así como al mejorar el desempeño estructural, estas soluciones no solo son más sostenibles, sino también más adaptables a las necesidades contemporáneas de diseño y construcción.

Al combinar eficiencia, flexibilidad y sostenibilidad, las losas aligeradas ofrecen una respuesta sólida a los retos actuales del sector. Su implementación masiva tiene el potencial de transformar el panorama de la construcción y alinearse con objetivos globales como la reducción de emisiones y la industrialización 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:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES-BELLVER, L.; SAIZ, D.; YEPES, V. (2024). Ingeniería de proyectos en Modernos Métodos de Construcción: El caso de edificios con losas planas mediante elementos aligerantes multiaxiales. 28th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 3-4 de julio, Jaén (Spain), pp. 392-406. DOI:10.61547/2402009

Licencia de Creative Commons
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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:

Descargar (PDF, Unknown)

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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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 cuales 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 indujeron el 65 % de los casos de colapso progresivo. En Europa, solo la mitad de las reparaciones de los edificios de hormigón fueron efectivas, a pesar de que los costes de rehabilitación suponen 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 a 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, son 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 de entre el 10 y el 50 % en costes, ahorro de materiales, reducción de emisiones de CO₂ y consumo de energía. Por otra parte, en proyectos anteriores se hizo hincapié en los aspectos sociales de la optimización de las infraestructuras. Ello supuso incluir aspectos relativos a la seguridad de las personas, la equidad social intergeneracional, aspectos relacionados con la salud, la educación, la integración del análisis de género, etc., que ahora se incluyen en este proyecto. El grupo dispone de la metodología para su inclusión en la construcción industrializada modular y 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, en 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 utilizado la construcción modular de forma masiva.

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 10 000 muertes anuales a nivel mundial. Asimismo, los resultados obtenidos por la optimización resiliente vendrían a completar 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 la investigación del ICITECH sitúa a nuestro país en una posición tecnológica de gran importancia en el ámbito de la construcción.

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Salto cualitativo del proyecto de investigación RESILIFE respecto a resultados previos

Figura 1. Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)
Laboratorio de materiales del 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 cuales este proyecto supone un salto cualitativo.

El equipo de investigación presenta una trayectoria que respalda su capacidad para abordar este nuevo reto, con experiencia en proyectos previos. En efecto, el IP1 del proyecto RESILIFE también fue IP en los 4 proyectos anteriores y dirigió 17 tesis doctorales relacionadas. El IP2 participó en todos estos proyectos. Los resultados obtenidos han sido consistentemente significativos y progresivos. El proyecto HORSOST (BIA2011-23602) generó 15 artículos JCR, 5 Q1, y de ellos, 2 D1. BRIDLIFE (BIA2014-56574-R) produjo 20 artículos JCR, 15 de ellos en la categoría Q1 y, de estos, 7 en la categoría D1. DIMALIFE (BIA2017-85098-R) produjo 33 artículos JCR, 20 de ellos Q1 y, de estos, 12 D1. HYDELIFE (PID2020-117056RB-I00) ha producido hasta ahora 42 artículos JCR, 26 de ellos Q1 y 15 D1. En estos proyectos se concedieron cuatro contratos predoctorales, tres de los cuales culminaron con éxito y el último está en ejecución. También existe una patente (Alcalá y Navarro, 2020) sobre vigas en cajón mixtas de acero y hormigón.

Objetivos y resultados ya alcanzados en proyectos previos

Antes de resumir los resultados de proyectos previos, queremos destacar que nuestra línea de investigación va más allá de la simple optimización económica del hormigón estructural, un objetivo atractivo a corto plazo para las empresas constructoras o de prefabricados. En proyectos anteriores, se abordó el diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales, utilizando criterios sostenibles multiobjetivo y técnicas de minería de datos. También se analizó la toma de decisiones en la gestión del ciclo de vida de puentes pretensados, priorizando la eficiencia social y medioambiental con presupuestos ajustados. Para ello, se emplearon metamodelos, diseño óptimo robusto y fiabilidad para generar diseños automáticos de puentes e infraestructuras, considerando hormigones con baja huella de carbono y abordando aspectos de durabilidad, consumo energético, huella de carbono y seguridad a lo largo del ciclo de vida. Se utilizaron técnicas de decisión multicriterio para elegir la mejor tipología constructiva de un puente y decidir entre las opciones resultantes de la frontera de Pareto. Se incorporaron técnicas emergentes de aprendizaje profundo (DL) en la hibridación de metaheurísticas y se exploró la construcción industrializada modular en edificación y obra civil. Además, se analizaron en detalle puentes mixtos y estructuras híbridas frente a soluciones de hormigón en un análisis de ciclo de vida completo que incluye la sostenibilidad social y medioambiental.

La producción científica de estos proyectos fue significativa (ver algunos artículos en las referencias aportadas). Se abordó la optimización multiobjetivo (coste, CO2 y energía) en puentes con vigas artesa y cajón, así como en el mantenimiento de puentes y redes de pavimento. También se exploró la sostenibilidad social de las infraestructuras y se aplicaron metodologías innovadoras, como la lógica neutrosófica y las redes bayesianas en la toma de decisiones. La optimización se respaldó en metamodelos de redes neuronales, modelos kriging y análisis de fiabilidad. Se propusieron indicadores para evaluar la sostenibilidad social y ambiental. Además, se aplicó diseño robusto a puentes, se analizó la resiliencia de las infraestructuras y se realizaron análisis del ciclo de vida para estructuras óptimas. Se obtuvo la patente «Viga en cajón mixta de acero y hormigón, P202030530».

Sin embargo, para avanzar es necesario abordar las limitaciones y el alcance de estos proyectos. El proyecto RESILIFE busca dar un salto cualitativo en nuestra línea de investigación y superar algunas de las limitaciones actuales en cuanto al alcance. Para respaldar la innovación propuesta y plantear este nuevo proyecto, nuestro grupo llevó a cabo seis estudios sobre el estado del arte en relación con BIM en estructuras (Fernández-Mora et al., 2022), la aplicación de la inteligencia artificial a la construcción (García et al., 2022), sobre estructuras modulares (Sánchez-Garrido et al., 2023), sobre estructuras prefabricadas frente a sismo (Guaygua et al., 2023), sobre estructuras híbridas de acero (Terreros-Bedoya et al., 2023) y sobre metamodelos (Negrín et al., 2023). Esto ha permitido detectar la oportunidad de optimizar el ciclo de vida de las estructuras incorporando, desde el diseño, la ocurrencia de eventos extremos, de forma que dichas estructuras pudieran recuperar su funcionalidad en el menor tiempo posible y con el menor coste social y ambiental. Tanto las estructuras híbridas de acero como las basadas en MMC tienen el potencial de mejorar la resiliencia estructural, siendo estos campos de investigación fecundos y de gran repercusión social. Además, el uso de la inteligencia artificial, la toma de decisiones multicriterio que consideran incertidumbres, el uso de metamodelos, la incorporación de la teoría de juegos en la optimización multiobjetivo y el empleo del BIM y la realidad virtual en la modelización suponen barreras que superar en la investigación de estas estructuras. A ello hay que añadir el uso de técnicas no destructivas para detectar daños en dichas estructuras (Hadizadeh-Bazaz et al., 2023), así como tecnologías de reparación eficiente de estructuras (Ortega et al., 2018).

Por tanto, RESILIFE pretende superar una serie de limitaciones en la investigación:

  • Análisis del ciclo de vida de estructuras híbridas de acero basadas en Modernos Métodos de Construcción (MMC) ante situaciones extremas (aumento de temperatura, explosiones, seísmos, etc.), de forma que aumente la resiliencia.
  • En el diseño óptimo, prever la reparación y el mantenimiento de las MMC ante eventos extremos, de forma que los elementos estructurales no se dañen o se puedan reparar de manera eficiente y rápida, centrándose en los problemas sociales y ambientales.
  • Utilizar metaheurísticas híbridas basadas en la inteligencia artificial, metamodelos y la teoría de juegos para mejorar la calidad de las soluciones al incorporar el aprendizaje profundo en la base de datos generada en la búsqueda de los algoritmos y reducir los tiempos de cálculo.
  • Explorar el efecto de la aleatoriedad de los parámetros con la incorporación del diseño óptimo resiliente y basado en fiabilidad para evitar que los proyectos reales optimizados sean infactibles ante pequeños cambios.
  • Profundizar en el estudio de la distribución de los impactos sociales y ambientales en las estructuras MMC.
  • Analizar la sensibilidad de las políticas presupuestarias poco sensibles a la realidad del sector en la gestión de las estructuras.

Lo indicado hasta ahora se podría sintetizar en los siguientes aspectos:

  1. El tema de la investigación se ha ido profundizando en cada uno de los proyectos realizados, de acuerdo con los objetivos previstos.
  2. Los estudios anteriores se basaban en la optimización multiobjetivo, la toma de decisiones a lo largo del ciclo de vida, el diseño robusto y basado en la fiabilidad y la incorporación del aprendizaje profundo. Ahora es el momento de ampliar la investigación a nuevas construcciones industrializadas modulares y estructuras híbridas optimizando su resiliencia ante eventos extremos.

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Metodología del proyecto de investigación RESILIFE

Figura 1. Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH). http://congress.cimne.com/SAHC2020/frontal/JoseM.Adam.asp

En varios artículos anteriores ya presentamos el resumen, la justificación, las hipótesis de partida y los objetivos del 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 justificaremos brevemente la metodología de este proyecto.

El análisis del estado de la técnica, desarrollado específicamente por el grupo para formular este proyecto, reveló la existencia de importantes lagunas de investigación. Por un lado, no se ha abordado de manera integral la optimización del diseño de estructuras híbridas y basadas en MMC que incorporan daños por eventos extremos, lo que dificulta una recuperación rápida y la minimización de impactos sociales y ambientales. Estas estructuras presentan un alto potencial (Terreros-Bedoya et al., 2023; Sánchez-Garrido et al., 2023), pero aún no se han explorado metaheurísticas híbridas con DL y teoría de juegos en la optimización de su resiliencia. Además, la lógica neutrosófica y las redes bayesianas abren puertas en el ámbito de la decisión multicriterio. Estas innovaciones se fusionan en nuestra metodología con técnicas, como el análisis del ciclo de vida, el análisis basado en la fiabilidad, el diseño óptimo robusto, los metamodelos y las técnicas de minería de datos. La metodología propuesta busca priorizar el diseño de estructuras, su reparación o mantenimiento, considerando criterios de sostenibilidad social y ambiental dentro de restricciones presupuestarias, teniendo en cuenta la variabilidad inherente a los desafíos prácticos.

La Figura 2 muestra el esquema metodológico propuesto para RESILIFE, vinculando las fases con los objetivos específicos. Se adopta un enfoque mixto e interactivo en el que el decisor proporciona información sobre sus preferencias al analista. Posteriormente, mediante una optimización multiobjetivo basada en la fiabilidad y los metamodelos, el analista genera un conjunto de soluciones eficientes que el decisor evalúa antes de tomar una decisión. Por tanto, la novedad de la propuesta metodológica trifase se basa en la integración de técnicas de información a priori, en las que el decisor (grupos de interés) informa de las preferencias al analista, abarcando métodos constructivos, reparación, conservación, etc. La optimización multiobjetivo, apoyada en la variabilidad de parámetros, variables y restricciones, produce alternativas eficientes. La última fase implica un proceso de información a posteriori para que el decisor considere aspectos no contemplados en la optimización, que da como resultado la solución final completa.

Figura 2. Esquema metodológico diseñado para RESILIFE en relación con los objetivos

La metodología se aplicará, como mínimo, a los siguientes casos de estudio. En primer lugar, a la optimización de pórticos de edificios altos con estructura de acero híbrido y de hormigón armado sometida a un incremento fuerte de temperatura. De hecho, Keles et al. (2024) optimizan estructuras de acero tradicional, en las que la temperatura altera las propiedades mecánicas, y Negrín et al. (2023a) comparan las ventajas de las estructuras híbridas frente a las tradicionales. El segundo caso se aplica a pórticos de edificios, tanto de hormigón armado como de estructuras híbridas, donde se optimiza suponiendo el fallo completo de uno o varios de los soportes, de forma que el entramado siga manteniendo su funcionalidad. Esto permite, con ligeros cambios en el diseño, mantener cierta funcionalidad estructural capaz de evacuar a las personas con seguridad y, a su vez, realizar tareas de reparación o mantenimiento de los elementos dañados. El objetivo es mejorar no solo la optimización, sino también los aspectos de diseño que impidan el colapso progresivo. Un aspecto similar ha sido estudiado por Negrín et al. (2023c) para el caso de fuertes interacciones suelo-estructura. Otro caso de estudio es la optimización resiliente de viviendas sociales prefabricadas en zonas sísmicas, que deben resistir acciones extremas y, además, poder reparar rápidamente los daños (Guaygua et al., 2023). Otro caso previsto es la optimización resiliente del mantenimiento y la reparación de patologías resultantes de eventos extremos. Los casos anteriores, que se centran en gran medida en viviendas, también se extenderán en este proyecto a otras estructuras, como puentes híbridos o estructuras modulares, en consonancia con la experiencia previa del equipo de investigación. La optimización siempre es multiobjetivo y se apoya en técnicas de deep learning a lo largo del ciclo de vida, con la novedad del uso de la teoría de juegos.

Referencias

  • GUAYGUA, B.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.; YEPES, V. (2023). A systematic review of seismic-resistant precast concrete buildings. Structures, 58; 105598.
  • KELES, M.; ARTAR, M.; ERGÜN, M. (2024). Investigation of temperature effect on the optimal weight design of steel truss bridges using Cuckoo Search Algorithm. Structures, 59:105819.
  • NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023a). Design optimization of welded steel plate girders configured as a hybrid structure. J Constr Steel Res, 211:108131.
  • NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023b). Metamodel-assisted design optimization in the field of structural engineering: a literature review. Structures, 52:609-631.
  • NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023c). Metamodel-assisted meta-heuristic design optimization of reinforced concrete frame structures considering soil-structure interaction. Struct., 293:116657
  • SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; GARCÍA, J.; YEPES, V. (2023). A systematic literature review on Modern Methods of Construction in building: an integrated approach using machine learning. Build. Eng., 73:106725
  • TERREROS-BEDOYA, A.; NEGRÍN, I.; PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V. (2023). Hybrid steel girders: review, advantages and new horizons in research and applications. J Constr Steel Res, 207:107976.

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Objetivos del proyecto de investigación RESILIFE

Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)

En artículos anteriores ya presentamos el resumen, la justificación y las hipótesis de partida del 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 expondremos los objetivos generales y específicos de este proyecto.

El objetivo general perseguido consiste en afrontar el reto social y ambiental que supone el proyecto, el mantenimiento y la reparación de estructuras híbridas y MMC frente a situaciones extremas, mediante la optimización de los problemas complejos planteados en el ámbito de las decisiones públicas y privadas. Para alcanzar este objetivo, es necesario avanzar en la ciencia, integrando a diversos actores y grupos de expertos en la toma de decisiones, con el fin de tener en cuenta criterios de sostenibilidad social y ambiental a lo largo de todo el ciclo de vida de las estructuras, teniendo en cuenta la variabilidad inherente al mundo real. Para abordar las incertidumbres que afectan al sistema, se propone la aplicación de metamodelos y metaheurísticas híbridas basadas en fiabilidad. Estas se aplicarán no solo al diseño de nuevas estructuras, sino también al mantenimiento y la reparación de las existentes. Un análisis de sensibilidad de los escenarios presupuestarios y de las hipótesis de los inventarios del ciclo de vida proporcionará conocimientos significativos sobre las mejores prácticas. Cabe destacar que esta metodología podrá adaptarse a otros tipos de infraestructuras.

El objetivo general se desarrollará mediante los objetivos específicos mostrados en la Figura 2 y que se describen a continuación, de los cuales serán responsables los investigadores principales:

• OE-1: Análisis de las funciones de distribución de eventos extremos para el diseño óptimo basado en la fiabilidad que integre aspectos ambientales, sociales y económicos para la toma de decisiones multicriterio.
• OE-2: Cuantificación de la resiliencia de las estructuras ante múltiples amenazas con el fin de garantizar la integración de la sostenibilidad en el diseño, mantenimiento y reparación de estructuras híbridas de acero y modulares.
• OE-3: Identificación de estrategias de reparación y mantenimiento robusto óptimo de estructuras híbridas de acero y modulares resilientes.
• OE-4: Formulación y resolución del problema de optimización multiobjetivo que contemple el ciclo completo de estructuras híbridas de acero y modulares mediante metaheurísticas híbridas.
• OE-5: Comparación de las estructuras y los sistemas en términos de su resiliencia respecto a la optimización heurística, teniendo en cuenta incertidumbres presupuestarias en su ciclo de vida.
• OE-6: Difusión de resultados y redacción de informes.

Figura 2. Objetivos específicos del proyecto RESILIFE

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Hipótesis de partida del proyecto de investigación RESILIFE

ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón). Universitat Politècnica de València

En artículos anteriores ya presentamos un resumen y la justificación del 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 justificaremos las hipótesis de partida de este proyecto.

La hipótesis principal de partida de RESILIFE es que un diseño óptimo y una construcción con estructuras híbridas basadas en los modernos métodos de construcción (MMC) son efectivos desde el punto de vista social y ambiental, y resilientes ante eventos extremos. La novedad radica en el empleo de la inteligencia artificial para optimizar la resiliencia y la sostenibilidad, con el fin de hacer frente a eventos extremos y evitar el colapso progresivo, protegiendo así la vida y la economía. De hecho, las estructuras híbridas de acero y las estructuras modulares son tipologías con elevadas posibilidades de generación de conocimiento (Sánchez-Garrido et al., 2023; Terreros-Bedoya et al., 2023). Además, existe un déficit de investigaciones que incorporen metaheurísticas híbridas emergentes y aprendizaje profundo (deep learning, DL) en la optimización multiobjetivo resiliente de este tipo de estructuras. Estas técnicas extraen información no trivial de las inmensas bases de datos procedentes de la optimización y mejoran la calidad y el tiempo de cálculo. Otra novedad en este proyecto es el uso de la teoría de juegos en la optimización multiobjetivo, empleada en la última tesis doctoral del grupo. Con esta propuesta metodológica se pretende abordar las incertidumbres del mundo real, planteando la optimización resiliente basada en la fiabilidad y en diseños robustos. Esta hipótesis debe extenderse a la toma de decisiones multicriterio que atienda a la sostenibilidad social y ambiental del ciclo de vida completo, que contemple las fluctuaciones tanto de los parámetros como de los escenarios posibles, especialmente con fuertes restricciones presupuestarias. La resolución del problema planteado presenta serias dificultades, por lo que se deben explorar metamodelos y DL capaces de acelerar el cálculo (Negrín et al., 2023).

Para alcanzar los objetivos del proyecto se basan en determinadas hipótesis:

  • Hipótesis 1: Es rentable diseñar estructuras innovadoras, resilientes y robustas frente a eventos extremos, que se puedan reparar cuando se optimizan a lo largo de su ciclo de vida.
  • Hipótesis 2: Las estructuras modulares permiten instaurar o restaurar infraestructuras rápidamente tras un evento extremo, y son eficientes desde el punto de vista social y ambiental.
  • Hipótesis 3: Las estructuras de acero híbridas mejoran las prestaciones de las estructuras de acero convencionales, mejorando la resiliencia ante eventos extremos, con niveles óptimos de sostenibilidad.
  • Hipótesis 4: Las metaheurísticas mejoran la calidad de las soluciones y reducen el tiempo de cálculo cuando se combinan con el aprendizaje profundo (DL).
  • Hipótesis 5: La optimización multiobjetivo de las estructuras híbridas de acero reduce los impactos sociales y ambientales a lo largo del ciclo de vida, siendo la teoría de juegos una técnica efectiva.
  • Hipótesis 6: La optimización multiobjetivo puede dar lugar a soluciones inviables con pequeñas variaciones en los parámetros o en las restricciones.
  • Hipótesis 7: Tanto el diseño óptimo basado en fiabilidad como el diseño óptimo robusto conducen a soluciones menos sensibles a la variabilidad y a los cambios en los escenarios (especialmente presupuestarios), pero se basan en funciones de probabilidad poco realistas por falta de datos.
  • Hipótesis 8: Es posible utilizar metamodelos y DL en el diseño óptimo robusto y en el diseño basado en fiabilidad para el proyecto y para el mantenimiento de estructuras híbridas y modulares.
  • Hipótesis 9: Las soluciones de mantenimiento óptimo de estructuras híbridas y modulares son diferentes si el análisis del ciclo de vida se incluye o no en la fase de proyecto.
  • Hipótesis 10: Dado un horizonte temporal para una estructura, es posible encontrar un diseño y una gestión posterior de dicho activo que mejore otras alternativas, incluso con presupuestos restrictivos.
  • Hipótesis 11: Las medidas de proyecto y preventivas derivadas de un sistema de apoyo a la toma de decisiones son preferibles por su menor coste social y ambiental a la reparación severa de las estructuras. La dimensión social incluye la integración del análisis de género en la investigación (IAGI).
  • Hipótesis 12: Es posible encontrar buenas prácticas en el diseño, la conservación, el mantenimiento y el desmantelamiento de estructuras híbridas y modulares que sean robustas ante cambios presupuestarios y resilientes ante eventos extremos.

Referencias

  • NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Metamodel-assisted design optimization in the field of structural engineering: a literature review. Structures, 52:609-631.
  • SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; GARCÍA, J.; YEPES, V. (2023). A systematic literature review on Modern Methods of Construction in building: an integrated approach using machine learning. Build. Eng., 73:106725.
  • TERREROS-BEDOYA, A.; NEGRÍN, I.; PAYÁ-ZAFORTEZA, I.; YEPES, V. (2023). Hybrid steel girders: review, advantages and new horizons in research and applications. J Constr Steel Res, 207:107976.

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