Un modelo del MIT reduciría hasta un 90% el material usado en puentes y edificios

Un modelo para reducir material desarrollado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) podría recortar hasta 90% la cantidad usada en puentes y edificios y facilitar estructuras con menos emisiones de carbono. Según Interesting Engineering, el sistema ya se probó en el rediseño de un puente del estado de Nueva York.

El MIT desarrolló un modelo informático basado en optimización topológica para ubicar el material de la forma más eficiente posible en puentes y edificios. Según Interesting Engineering, el equipo sostiene que ese enfoque podría recortar hasta 90% del material en ciertos diseños y ayudar a bajar costos y emisiones al incorporar desde el inicio condiciones reales de construcción.

El trabajo estuvo a cargo de un equipo del instituto encabezado por Josephine Carstensen, profesora de Ingeniería Civil. El proyecto busca cerrar la distancia entre los diseños digitales optimizados y lo que después puede construirse en obra.

Carstensen vinculó el método con una evaluación conjunta de materiales, viabilidad de construcción y desempeño estructural. La investigadora afirmó: “Hay una interacción entre los materiales que usas, la posibilidad de construir los diseños y la optimización de la estructura. Debes poder abordar las tres cosas al mismo tiempo. Eso es lo que intentamos hacer aquí”.

Cómo funciona la optimización topológica aplicada a la construcción

La optimización topológica es un método computacional que determina la colocación más eficiente del material dentro de un espacio dado. Su objetivo puede ser lograr estructuras lo más resistentes posible con el menor peso.

Ese enfoque se usa sobre todo en investigación y en impresión 3D. Su aplicación en la construcción de puentes y edificios es mucho menor porque suele producir configuraciones demasiado complejas y costosas de ejecutar.

La fuente describe esos diseños como estructuras de gran complejidad, con formas parecidas a una telaraña. Ese tipo de propuestas plantea dificultades incluso para equipos de ingeniería con amplia capacidad técnica.

Las condiciones de obra que el modelo incorpora desde el diseño

A partir de ese límite, el grupo del MIT diseñó un sistema orientado a condiciones de obra reales. El marco creado por los investigadores permite fijar límites prácticos desde el comienzo del proceso de diseño.

Entre ellos figuran el número máximo de elementos estructurales que pueden unirse en un nodo, los ángulos mínimos de conexión y los tamaños mínimos de los componentes. Así, los ingenieros pueden incorporar esas restricciones antes de definir la estructura final.

El sistema también admite varios materiales y combina acero y madera. Aun así, asigna un solo material a cada pieza y después comprueba que todas las uniones cumplan con los requisitos de resistencia de la ingeniería.

Zane Schemmer, estudiante de doctorado del instituto y primer autor del estudio, resumió esa lógica con una regla básica. “No puedes tener una pieza que sea 72% madera y 28% acero”, dijo al medio.

La prueba con un puente de Nueva York y el equilibrio entre resistencia y carbono

Para mostrar el funcionamiento del método, el equipo rediseñó el puente Lockport “Upside-Down Bridge”, cerca de Buffalo, Nueva York. A partir de ese caso, generó variantes de celosía solo de madera, solo de acero y combinadas de madera y acero.

Los investigadores evaluaron cómo distintas restricciones de construcción modificaban las estructuras finales. Esa prueba mostró que el diseño más resistente no siempre coincide con el más sencillo de construir.

También mostró que la solución estructural más robusta no necesariamente ofrece el mejor balance de carbono. Schemmer explicó: “Vimos cómo el sistema sabía que se podía diseñar un puente de acero puro, pero quizá eso no fuera lo mejor desde el punto de vista del carbono. O se podía diseñar un puente completamente de madera, pero quizá no fuera el más resistente”.

El autor sostuvo que el uso combinado de materiales permite repartir mejor las ventajas de cada uno. “Pero estos materiales pueden trabajar juntos, así que usas madera para el ahorro de carbono y acero donde necesitas resistencia adicional, y hay un equilibrio que puedes encontrar en estas estructuras”, señaló.

Por qué los investigadores creen que la industria ya puede usar este sistema

El modelo exige más capacidad de cómputo que otros métodos existentes. Pese a eso, el equipo indicó que sus pruebas se ejecutaron en una computadora hogareña, un dato que apunta a una posible aplicación en firmas de ingeniería.

El estudio se publicó en la revista Automation in Construction. Según Interesting Engineering, los autores consideran que este enfoque puede servir para resolver problemas de diseño con restricciones variables, un terreno que la industria había evitado en el pasado.