Cuando ocurre un gran sismo, se espera que los edificios permanezcan en pie. Sin embargo, los reglamentos de construcción aceptan cierto nivel de daño siempre que no haya colapso ni se ponga en peligro la vida de los ocupantes. Esta filosofía permite reducir los costos iniciales de construcción mediante el aprovechamiento de la ductilidad. Diseñar edificios capaces de permanecer completamente elásticos ante los sismos más severos requeriría elementos estructurales y cimentaciones considerablemente más robustos y, por tanto, mayores cantidades de materiales. Tal estrategia de diseño ha sido exitosa para evitar colapsos y proteger vidas. Sin embargo, en años recientes ha surgido una pregunta fundamental: ¿realmente resulta más barato permitir que un edificio se dañe? La respuesta no es evidente cuando se consideran los costos que pueden producirse durante toda la vida útil de una estructura. En este artículo se aborda esta cuestión mediante una metodología que combina inteligencia artificial, optimización estructural y evaluación de pérdidas sísmicas.
Héctor Guerrero Bobadilla Investigador del II UNAM. Presidió la SMIS durante el periodo 2022-2023 y es miembro del Sistema Nacional de Investigadores.
Luis Iván Velasco Enríquez Ingeniero civil, investigador y docente. Doctorando en Ingeniería Civil.
Después de un sismo importante pueden encontrarse edificios que, aunque permanecen en pie, presentan daños en columnas, muros, plafones, instalaciones y otros componentes. Desde el punto de vista estructural, muchos edificios cumplen su objetivo fundamental: evitar el colapso y proteger la vida. Sin embargo, los ocupantes pueden enfrentar situaciones adversas, como desalojos o interrupciones de funcionamiento.
En algunos casos, estas interrupciones pueden generar pérdidas superiores al costo de la estructura. En casos extremos, la rehabilitación puede resultar tan costosa que se considere más conveniente demoler y reconstruir.
Por ello, el análisis del costo del ciclo de vida ha adquirido creciente importancia, pues una estructura puede permanecer en servicio durante muchos años y experimentar varios terremotos. La pregunta deja entonces de ser cuánto cuesta construir un edificio y pasa a ser cuánto costará durante toda su existencia.
Evaluación de costos de ciclo de vida con IA
Para analizar la utilización de la inteligencia artificial (IA) en la evaluación de costos, se planteó una metodología capaz de comparar edificios diseñados con diferentes límites de distorsión de entrepiso y determinar sus costos durante su vida útil.
Una estructura puede diseñarse de una enorme cantidad de maneras. Modificar las dimensiones de columnas y vigas cambia la rigidez y el peso del edificio, su periodo de vibración y las fuerzas sísmicas, con lo que se afecta a su vez el daño esperado; explorar manualmente todas las alternativas de diseño resulta prácticamente imposible.
En este contexto, las metaheurísticas permiten explorar problemas complejos de optimización y concentrar los recursos computacionales en soluciones prometedoras (Velasco et al., 2023). Estudios previos han demostrado su capacidad para reducir la respuesta dinámica, los costos y el impacto ambiental de diferentes sistemas estructurales (ej., Yeo y Potra, 2015).
Para acelerar el proceso se incorporaron redes neuronales artificiales capaces de predecir el comportamiento sísmico de numerosas propuestas sin realizar para cada una simulaciones estructurales completas. Así, las redes neuronales permiten descartar soluciones de baja calidad y reservar los análisis dinámicos no lineales (ADNL) para las alternativas más prometedoras.
Una vez obtenidos los diseños optimizados, sus consecuencias sísmicas se evaluaron mediante FEMA P-58 (2014). Este procedimiento permite estimar pérdidas económicas y tiempos de reparación asociados al daño.
Caso de estudio
Se estudió un edificio de acero de seis niveles destinado a oficinas, regular en planta y elevación y ubicado sobre suelo blando de la Ciudad de México, donde los efectos sísmicos pueden amplificarse.
Se desarrollaron cinco estrategias de diseño:
- Ductilidad baja y límite de distorsión de entrepiso de 1.5%
- Ductilidad media y límite de distorsión de entrepiso de 2%
- Ductilidad alta y límite de distorsión de entrepiso de 3%
- Ductilidad baja y límite de distorsión de entrepiso de 1%
- Ductilidad alta y límite de distorsión de entrepiso de 1%
Las tres primeras corresponden a los niveles de ductilidad contemplados en las NTC-Sismo (Gaceta Oficial de la CDMX, 2023). En las estrategias 4 y 5 se adoptó un límite de distorsión de 1%, restringiendo significativamente la deformación y obligando a la estructura a trabajar prácticamente dentro de su intervalo elástico durante el sismo de diseño. La comparación permitió evaluar diferentes filosofías de diseño y determinar cuál resulta más conveniente al considerar tanto el costo inicial como las pérdidas futuras.
Diseño sísmico asistido por metaheurísticas
El diseño estructural es un problema altamente interrelacionado. Aumentar la sección de una columna modifica la rigidez, el periodo de vibración y las fuerzas sísmicas, con lo cual se afectan otros elementos.
Para resolver este problema se emplearon estrategias evolutivas. El algoritmo genera diferentes diseños, identifica los más eficientes y utiliza sus características para producir nuevas generaciones de soluciones.
Cada alternativa debía:
- Resistir adecuadamente las cargas
- Cumplir las exigencias del reglamento sísmico
- Mantener las deformaciones dentro de los límites establecidos
- Utilizar la menor cantidad posible de acero
Simulaciones ante acciones sísmicas usando IA
Las propuestas fueron evaluadas mediante modelos numéricos desarrollados en OpenSeesPy (2019). Para cada estrategia se utilizaron doce registros sísmicos representativos de la Ciudad de México obtenidos mediante el Sistema de Acciones Sísmicas para Diseño (Sasid, 2023), considerando movimientos asociados a la subducción y a eventos de profundidad intermedia.
Realizar ADNL para miles de alternativas habría requerido un tiempo de cómputo considerable. Por ello, se utilizaron redes neuronales artificiales entrenadas con miles de edificios previamente analizados. Estas redes permiten estimar rápidamente cuáles diseños tienen pocas probabilidades de cumplir los requisitos, de modo que sólo las alternativas más prometedoras son sometidas a análisis completos.
La combinación de metaheurísticas y aprendizaje automático redujo significativamente el esfuerzo computacional necesario para explorar el espacio de soluciones.
Medir el costo completo de un terremoto
FEMA P-58 (2014) permite evaluar no sólo si un edificio colapsa, sino también los daños y sus consecuencias económicas y funcionales. El procedimiento relaciona la ocurrencia del terremoto con la respuesta dinámica de la estructura, los niveles de daño y sus consecuencias, como costos de reparación, tiempo fuera de servicio, pérdidas de operación o demolición.
Así, es posible estimar cuánto costará reparar un edificio después de un sismo, cuánto tiempo permanecerá fuera de operación y cuál será el costo acumulado durante su vida útil.
Resultados
Respuesta dinámica de las estructuras optimizadas
Como se aprecia en la figura 1, los diseños obtenidos presentaron distorsiones de entrepiso próximas a los límites establecidos para cada objetivo de desempeño.
En los diseños con ductilidad media y alta, y límites de distorsión correspondientes de 2 y 3%, algunas estructuras no alcanzaron la deformación máxima permitida. Esto se debió a limitaciones de capacidad que impedían adoptar configuraciones suficientemente flexibles.
Evaluación del costo inicial
Para evaluar el costo de cada alternativa se consideraron el costo estructural, el costo de elementos no estructurales y contenidos, el costo inicial del proyecto y el costo esperado de reparación después de un sismo.
El costo estructural se calculó a partir del volumen de material empleado y su costo unitario. Para los elementos no estructurales y contenidos se consideró que la estructura representa aproximadamente el 20% del costo total del edificio, por lo que el costo no estructural se estimó como cuatro veces el costo estructural.
Los resultados mostraron que las estructuras con límites de distorsión del 1% requirieron, en promedio, aproximadamente 33% más acero que aquellas que permitían deformaciones cercanas al 3%. Por lo tanto, desde el punto de vista del costo inicial, permitir mayores deformaciones resulta favorable. Sin embargo, esta conclusión cambia al considerar el costo del ciclo de vida.
Evaluación del costo real de las estructuras optimizadas
Durante una vida útil superior a cincuenta años, un edificio puede experimentar varios terremotos y acumular daños que generen reparaciones e interrupciones de funcionamiento. Además, los principales costos de un sismo no necesariamente provienen de los elementos estructurales. Fachadas, muros divisorios, plafones, instalaciones, elevadores, equipos y contenidos también pueden sufrir daños importantes.
A ello se suman las pérdidas por interrupción de actividades. Un hospital, por ejemplo, que deja de funcionar, puede generar pérdidas superiores al costo de reparar sus elementos estructurales.
Por esta razón, FEMA P-58 se aplicó a las cinco estrategias consideradas. Los resultados de los costos iniciales y totales se muestran en la figura 2.
La diferencia en el costo inicial entre las alternativas alcanzó aproximadamente 6%. Si el análisis se hubiera limitado al costo de construcción, las estructuras capaces de deformarse más parecerían ser las económicamente más convenientes.
Sin embargo, al incorporar los costos de reparación esperados durante una vida útil de 50 años, esta ventaja prácticamente desapareció. Las estructuras inicialmente más económicas acumularon mayores pérdidas como consecuencia de los daños y las interrupciones futuras.
Al considerar el costo total del ciclo de vida, los edificios diseñados para admitir mayores deformaciones resultaron hasta 34% más costosos que aquellos diseñados con límites de deformación más estrictos.
Conclusiones
Más allá de la resistencia: construir resiliencia
Los resultados tienen implicaciones que van más allá del edificio estudiado. En urbes altamente sísmicas como la Ciudad de México, miles de edificios se diseñan siguiendo criterios orientados principalmente a evitar el colapso. Sin embargo, el estudio muestra que pequeñas modificaciones en los límites de deformación pueden reducir significativamente las pérdidas económicas futuras.
Reducir las deformaciones puede disminuir los costos de reparación, los residuos generados por la rehabilitación, el consumo de materiales y las interrupciones de funcionalidad. Un edificio que sufre menos daños beneficia no sólo a su propietario, sino también la resiliencia de la comunidad.
Durante buena parte del siglo XX, el principal objetivo de la ingeniería sísmica fue evitar el colapso y proteger la vida humana. Este objetivo continúa siendo fundamental. Sin embargo, los terremotos recientes han demostrado que un edificio puede cumplir con los reglamentos, permanecer estable y permitir la evacuación segura de sus ocupantes y, aun así, sufrir daños que obliguen a suspender sus actividades durante meses o incluso conduzcan a su demolición.
Por ello, el éxito de un edificio debería evaluarse no sólo por su capacidad para evitar el colapso, sino también por su capacidad para recuperar rápidamente su funcionalidad después de un terremoto.
La IA apoyando la actualización de los reglamentos y el incremento de resiliencia
Uno de los aspectos relevantes de esta investigación es la metodología utilizada. Tradicionalmente, el ingeniero analizaba un número limitado de alternativas y seleccionaba la que consideraba más conveniente. La experiencia profesional continúa siendo indispensable, pero actualmente existen herramientas capaces de explorar millones de posibilidades que ningún ser humano podría evaluar manualmente.
En este trabajo, la inteligencia artificial no sustituyó al ingeniero, sino que lo complementó. Los algoritmos de optimización exploraron un enorme espacio de configuraciones estructurales, mientras que las redes neuronales permitieron identificar rápidamente las alternativas con mayores probabilidades de éxito.
La IA comienza así a convertirse en una herramienta para abordar problemas complejos del diseño estructural. Gracias a estas tecnologías es posible analizar qué edificios son seguros y cuáles resultan más convenientes desde una perspectiva económica y social a largo plazo.
Los reglamentos sísmicos se han desarrollado principalmente para proteger la vida humana, objetivo que han cumplido apropiadamente. Sin embargo, hoy es posible aspirar a algo más: diseñar estructuras que, además de evitar el colapso, reduzcan las pérdidas económicas y sociales y recuperen rápidamente su funcionamiento. Esto abre la puerta a una nueva generación de reglamentos orientados no sólo a la seguridad, sino también a la resiliencia y sostenibilidad de las ciudades
Referencias
Federal Emergency Management Agency, FEMA (2014) Seismic performance assessment of buildings. FEMA P-58.
Gaceta Oficial de la Ciudad de México (2023). Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo (NTC-Sismo).
OpenSeesPy (2019) The OpenSeesPy Library. Disponible en:
https://openseespydoc.readthedocs.io/en/latest
Sistema de Acciones Sísmicas para Diseño, Sasid (2023). Gobierno de la Ciudad de México.
Velasco, L., et al. (2025) What is the cost of permissible damage in seismic design of steel frames? Insights from surrogate model metaheuristic optimization and seismic loss assessment. Journal of Building Engineering 113.
Yeo, D., y F. A. Potra (2015) Sustainable design of reinforced concrete structures through CO2 emission optimization. Journal of Structural Engineering 141(3)..
