Metaheuristic Optimization for the Sustainable and Resilient Design of Hybrid and Composite Frame Building Structures with Advanced Integrated Modeling

[ES] El cambio climático y la rápida expansión de las áreas urbanas han intensificado el impacto ambiental del sector de la construcción, responsable de cerca del 37% de las emisiones globales de CO¿, y de más de un tercio del consumo energético mundial. Mejorar la sostenibilidad y la resiliencia de las estructuras edificatorias se ha convertido, por tanto, en una prioridad esencial, plenamente alineada con los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas. Esta tesis doctoral aborda este reto mediante el desarrollo de un marco de diseño basado en optimización que permite obtener soluciones innovadoras, sostenibles y resilientes para estructuras porticadas. El objetivo principal de la investigación es crear y validar metodologías avanzadas que integren tipologías estructurales híbridas y mixtas con estrategias de optimización de vanguardia, apoyadas en modelos estructurales de alta fidelidad. Para ello, se formulan problemas de optimización que consideran de manera conjunta criterios económicos, ambientales, constructivos, de durabilidad y de seguridad estructural, incorporando además aspectos frecuentemente ignorados como la interacción suelo-estructura, la robustez frente al colapso progresivo, y el desempeño ambiental durante el ciclo de vida de le estructura. Entre los objetivos específicos destacan: la evaluación de metaheurísticas avanzadas y técnicas de optimización asistida por metamodelos, la cuantificación de los riesgos de modelos estructurales simplificados, la integración de la resiliencia como restricción de diseño, la valoración de los beneficios de tipologías híbridas y mixtas, la exploración de estrategias de optimización multiobjetivo, y la comparación entre enfoques de diseño basado en fases iniciales y de ciclo de vida. Los resultados muestran que las estrategias metaheurísticas avanzadas y las asistidas por metamodelos (como BBO-CINS, enfoques basados en Kriging y la Optimización Escalarizada de Pareto) superan claramente a los algoritmos tradicionales, logrando reducciones de hasta un 90% en el coste computacional en problemas mono-objetivo y mejoras de hasta un 140% en la calidad del frente de Pareto en problemas multi-objetivo. Asimismo, se evidencia el riesgo de simplificar en exceso los modelos estructurales: omitir aspectos críticos como la interacción suelo-estructura o elementos secundarios (forjados, muros) puede distorsionar el diseño, comprometer la seguridad (p. ej., subestimando la resistencia al colapso) y aumentar los impactos ambientales a largo plazo debido al deterioro acelerado y mayores necesidades de mantenimiento. También se demuestra que, al incorporar la resiliencia como restricción de diseño en lugar de tratarla como un objetivo de optimización, es posible mejorar la robustez frente al colapso progresivo sin perjudicar la sostenibilidad, reduciendo además la carga ambiental del diseño robusto en torno a un 11% al considerar elementos estructurales secundarios. A escala de componentes estructurales, la optimización de vigas de acero soldadas validó los beneficios de la hibridación y de las geometrías variables, dando lugar a la tipología Transversely Hybrid Variable Section (THVS), que reduce los costes de fabricación hasta en un 70% respecto a vigas I convencionales. Su integración en pórticos compuestos de hormigón armado y elementos THVS proporcionó mejoras adicionales de sostenibilidad, con reducciones del 16% en emisiones y del 11% en energía incorporada en fases iniciales de diseño, y hasta un 30% en emisiones de ciclo de vida en comparación con sistemas tradicionales de hormigón armado. La inclusión de forjados y muros estructurales amplificó estos beneficios, reduciendo los impactos de ciclo de vida hasta en un 42% respecto a configuraciones de pórticos dónde solo trabaja estructuralmente el esqueleto (omitiendo forjados y muros).

[CA] El canvi climàtic i l'expansió ràpida de les àrees urbanes han intensificat l'impacte ambiental del sector de la construcció, responsable de prop del 37% de les emissions globals de CO¿ i de més d'un terç del consum energètic mundial. Millorar la sostenibilitat i la resiliència de les estructures edificatòries s'ha convertit, per tant, en una prioritat essencial, plenament alineada amb els Objectius de Desenvolupament Sostenible de les Nacions Unides. Aquesta tesi doctoral afronta aquest repte mitjançant el desenvolupament d'un marc de disseny basat en optimització que permet obtindre solucions innovadores, sostenibles i resilients per a estructures porticades. L'objectiu principal de la investigació és crear i validar metodologies avançades que integren tipologies estructurals híbrides i mixtes amb estratègies d'optimització d'avantguarda, recolzades en models estructurals d'alta fidelitat. Per a això, es formulen problemes d'optimització que consideren conjuntament criteris econòmics, ambientals, constructius, de durabilitat i de seguretat estructural, incorporant a més aspectes sovint ignorats com la interacció sòl-estructura, la robustesa davant el col·lapse progressiu i el comportament ambiental durant el cicle de vida de l'estructura. Entre els objectius específics destaquen: l'avaluació de metaheurístiques avançades i tècniques d'optimització assistida per metamodels, la quantificació dels riscos dels models estructurals simplificats, la integració de la resiliència com a restricció de disseny, la valoració dels beneficis de tipologies híbrides i mixtes, l'exploració d'estratègies d'optimització multiobjectiu i la comparació entre enfocaments de disseny inicial i de cicle de vida. Els resultats mostren que les estratègies metaheurístiques avançades i les assistides per metamodels (com BBO-CINS, enfocaments basats en Kriging i l'Optimització Escalaritzada de Pareto) superen clarament els algorismes tradicionals, aconseguint reduccions de fins al 90% en el cost computacional en problemes monoobjectiu i millores de fins al 140% en la qualitat del front de Pareto en problemes multiobjectiu. Així mateix, s'evidencia el risc de simplificar en excés els models estructurals: ometre aspectes crítics com la interacció sòl-estructura o elements secundaris (forjats, murs) pot distorsionar el disseny, comprometre la seguretat (p. ex., subestimant la resistència al col·lapse) i incrementar els impactes ambientals a llarg termini per deteriorament accelerat i majors necessitats de manteniment. També es demostra que, en incorporar la resiliència com a restricció de disseny en lloc de tractar-la com un objectiu d'optimització, és possible millorar la robustesa davant el col·lapse progressiu sense perjudicar la sostenibilitat, reduint a més la càrrega ambiental del disseny robust al voltant d'un 11% en considerar elements estructurals secundaris. A escala de components estructurals, l'optimització de bigues d'acer soldades va validar els beneficis de la hibridació i de les geometries variables, donant lloc a la tipologia Transversely Hybrid Variable Section (THVS), que redueix els costos de fabricació fins a un 70% respecte a bigues I convencionals. La seua integració en pòrtics compostos de formigó armat i elements THVS va aportar millores addicionals de sostenibilitat, amb reduccions del 16% en emissions i de l'11% en energia incorporada en fases inicials de disseny, i fins a un 30% en emissions de cicle de vida en comparació amb sistemes tradicionals de formigó armat. La inclusió de forjats i murs estructurals va amplificar aquests beneficis, reduint els impactes de cicle de vida fins a un 42% respecte a configuracions de pòrtics on només treballa estructuralment l'esquelet (sense forjats ni murs).

[EN] Climate change and the rapid expansion of urban environments have intensified the construction sector's environmental impact, accounting for nearly 37% of global energy-related CO¿ emissions and more than one-third of total energy consumption worldwide. Improving the sustainability and resilience of building structures has thus become a critical priority, fully aligned with the United Nations Sustainable Development Goals. This doctoral thesis addresses this challenge by developing an optimization-based design framework that delivers innovative, sustainable, and resilient solutions for frame-building structures. The main objective of this research is to create and validate advanced methodologies that integrate hybrid and composite structural typologies with advanced optimization strategies, supported by high-fidelity structural modeling. To achieve this, the thesis formulates optimization problems that simultaneously account for economic, environmental, constructability, durability, and safety criteria, while incorporating often-overlooked features such as soil-structure interaction, robustness against progressive collapse, and life-cycle environmental performance. Specific objectives include evaluating advanced metaheuristic and metamodel-assisted optimization techniques, quantifying the risks of oversimplified structural models, integrating resilience as a design constraint, assessing the sustainability benefits of hybrid and composite typologies, exploring strategies for multi-objective optimization, and comparing early-stage and life-cycle approaches. The results demonstrate that advanced metaheuristic and metamodel-assisted strategies (e.g., BBO-CINS, Kriging-based approaches, and Scalarized Pareto Optimization) clearly outperform traditional algorithms, achieving up to 90% reductions in computational cost in single-objective settings and improving Pareto front quality by as much as 140% in multi-objective problems. Equally important, the research highlights the risks of oversimplifying structural models. Neglecting critical aspects such as soil-structure interaction or secondary components like slabs and walls can significantly distort structural design, leading not only to inaccurate safety assessments (e.g., underestimating collapse resistance), but also to higher long-term environmental impacts due to accelerated deterioration and increased maintenance demands. These findings underscore the need for holistic modeling in optimization frameworks. Furthermore, when introduced as a constraint rather than a competing objective, resilience-based design proved capable of enhancing robustness against progressive collapse without compromising sustainability, with the inclusion of secondary elements reducing the environmental burden of robust design by around 11%. At the component scale, the optimization of welded steel girders validated the benefits of hybridization and tapered geometries, culminating in the Transversely Hybrid Variable Section (THVS) typology, which reduced manufacturing costs by up to 70% compared to conventional girders. When integrated into composite RC-THVS frames, this typology delivered further sustainability gains, achieving reductions of 16% in emissions and 11% in embodied energy at the early design stage, and up to 30% in life-cycle emissions, compared to traditional RC structural systems. Incorporating slabs and infill walls amplified these results, lowering life-cycle impacts by as much as 42% relative to bare-frame configurations.

Tesis por compendio