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Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety

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The following personal article link, which will provide free access to your article, and is valid for 50 days, until September 14, 2016

http://authors.elsevier.com/a/1TROAW4G4Bhqk

Abstract: This paper presents a multiobjective optimization of post-tensioned concrete road bridges in terms of cost, CO2 emissions, and overall safety factor. A computer tool links the optimization modulus with a set of modules for the finite-element analysis and limit states verification. This is applied for the case study of a three-span continuous post-tensioned box-girder road bridge, located in a coastal region. A multiobjective harmony search is used to automatically search a set of optimum structural solutions regarding the geometry, concrete strength, reinforcing and post-tensioned steel. Diversification strategies are combined with intensification strategies to improve solution quality. Results indicate that cost and CO2 emissions are close to each other for any safety range. A one-euro reduction, involves a 2.34 kg CO2 emissions reduction. Output identifies the best variables to improve safety and the critical limit states. This tool also provides bridge managers with a set of trade-off optimum solutions, which balance their preferences most closely, and meet the requirements previously defined.

Keywords

  • Multiobjective optimization;
  • CO2 emissions;
  • Safety;
  • Post-tensioned concrete;
  • Box-girder bridge;
  • Multiobjective harmony search

Highlights

  • A multiobjective optimization of post-tensioned concrete road bridges is presented.
  • A computer tool combines finite-element analysis and limit states verification.
  • Output provides a trade-off between cost, CO2 emissions, and overall safety factor.
  • Near the optima, a one-euro reduction represents a 2.34 kg CO2 emissions reduction.
  • Results show the cheapest and most eco-friendly variables for improving safety.

Reference:

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety. Engineering Structures, 125:325-336. DOI: 10.1016/j.engstruct.2016.07.012.

11 agosto, 2016
 
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El profesor Dan M. Frangopol de estancia con nosotros en la Universitat Politècnica de València

20160226_dan_frangopol_nsf_awardTenemos la gran suerte de contar con el profesor Dan M. Frangopol como profesor visitante en la Universitat Politècnica de València. Se trata de una estancia que solicitó nuestro grupo de investigación dentro del proyecto de investigación BRIDLIFE y que también ha sido apoyada por nuestra universidad. Es una magnífica oportunidad de poder colaborar en líneas de investigación que confluyen en la optimización multiobjetivo de estructuras a lo largo de su ciclo de vida. Ya estuvo nuestra investigadora Tatiana García Segura cuatro meses de estancia en la Universidad de Lehigh.

El curriculum y la trayectoria académica del profesor Frangopol es impresionante. Es el primer titular de la Cátedra Fazlur R. Khan de Ingeniería Estructural y Arquitectura de la Universidad de Lehigh, en Bethlehem, Pensilvania. Antes de incorporarse a esta universidad, fue profesor de ingeniería civil en la Universidad de Colorado en Boulder, donde ahora es profesor emérito. Sus líneas de investigación se centran en la aplicación de los conceptos probabilísticos y métodos de la ingeniería civil tales como la fiabilidad estructural, el diseño basado en la probabilidad y la optimización de edificios, puentes y barcos navales, vigilancia de la salud estructural, mantenimiento y gestión a lo largo de su ciclo de vida, gestión de infraestructuras en condiciones de incertidumbre, evaluación basada en el riesgo, sostenibilidad y resistencia a los desastres.

De acuerdo con el ASCE (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles) “Dan M. Frangopol is a preeminent authority in bridge safety and maintenance management, structural system reliability, and life-cycle civil engineering. His contributions have defined much of the practice around design specifications, management methods, and optimization approaches. From the maintenance of deteriorated structures and the development of system redundancy factors to assessing the performance of long-span structures, Dr. Frangopol’s research has not only saved time and money, but very likely also saved lives… Dr. Frangopol is a renowned teacher and mentor to future engineers.”

A parte de cuatro doctorados honoris causa, el profesor Frangopol presenta un índice h de 54 y más de 11900 citas (Google Scholar, 2015). Ha dirigido más de 40 tesis doctorales y ha sido profesor visitante en numerosas universidades de todo el mundo. Lo mejor es que veáis su currículum entero en su página web: http://www.lehigh.edu/~dmf206/

Os dejo a continuación los seminarios y conferencias que impartirá este mes en la Universitat Politècnica de València. Si tenéis alguna duda, me podéis enviar un correo electrónico. La entrada es libre. Os iré contando en sucesivos posts más sobre nuestra actividad este mes con el profesor Frangopol.

Descargar (PDF, 108KB)

5 mayo, 2016
 
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Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy

ph_vigas-artesa

Puente de vigas artesa prefabricadas. Fuente: Pacadar

¿Cómo se pueden diseñar puentes pretensados prefabricados en vigas artesa haciendo que el consumo energético para su fabricación y puesta en obra sea el mínimo posible?

Os podéis descargar gratuitamente, hasta el 21 de abril de 2016, el artículo original y completo de nuestra publicación. Basta con que acudáis al siguiente enlace de Elsevier:

http://authors.elsevier.com/a/1SeBx3QCo9IDYU

Otros artículos científicos relacionados los podéis ver en:  http://victoryepes.blogs.upv.es/publicaciones/articulos-jcr/

 

Highlights

  • An automated procedure for optimizing the design of structures is presented.
  • There is a parabolic relation between the span length and the minimum energy.
  • The energy reduction has an average cost impact of 3.23€ per square meter of deck.
  • Since both criteria are dependent, 1€ reduction is equivalent to 4 kW h saving.

Abstract

S09596526An automated procedure for optimizing the design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges is presented. The economic cost and the embodied energy are selected as the objective functions based on production materials, transport and placement. Heuristic optimization is used to search for the best geometry, the concrete type, the prestressing steel, and the reinforcement for the slab and the beam. The results for both objectives provide improved opportunities to learn about low-energy designs. The most influential variables for the energy efficiency goal are analyzed. The relationship between the span length and the embodied energy is described by a good parabolic fit for both optimization criteria. The findings indicate that the objectives do not exhibit conflicting behavior, and also that optimum energy designs are close to the optimum cost designs. The analysis also revealed that a reduction by 1 Euro can save up to 4 kWh. It is recommended to reduce the reinforcement in the slab as well as increase the volume of concrete in both slab and beams in order to achieve higher energy efficiency. It is also worth noting that web inclination angle should be increased when the depth increases for longer span lengths to maintain the optimum slab span lengths in the transverse direction.

Keywords

  • Heuristic optimization;
  • energy savings;
  • sustainable construction;
  • precast-prestressed concrete structures

 

Referencia:

MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy.Journal of Cleaner Production, 120:231-240. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.02.024(link)

 

22 marzo, 2016
 
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La optimización de estructuras

¿Cuándo empieza realmente la optimización de las estructuras? Difícil pregunta a resolver. Si bien los aspectos básicos relacionados con la optimización matemática se establecieron en los siglos XVIII y XIX con los trabajos de Lagrange o Euler, hay que esperar hasta los años 40 del siglo XX para que Kantorovich y Dantzing desarrollaran definitivamente los principios de la programación matemática.  Es a partir de la revolución informática de los años 70 cuando estas herramientas empiezan a ser empleadas habitualmente en numerosas aplicaciones en las ciencias, las ingenierías y los negocios. Sin embargo, el progreso de técnicas de optimización que no requieran derivadas y que se generen a través de reglas heurísticas, ha supuesto una auténtica revolución en el campo de la optimización de los problemas reales. En efecto, los métodos aproximados pueden utilizarse allí donde el elevado número de variables en juego impiden la resolución en un tiempo de cálculo razonable de los problemas mediante la programación matemática. A estos algoritmos de optimización aproximada, cuando su uso no está restringido a un solo tipo de problemas, la comunidad científica en el ámbito de la inteligencia artificial y la investigación operativa les ha dado el nombre de metaheurísticas. Este grupo incluye una amplia variedad de procedimientos inspirados en algunos fenómenos naturales, tales como los algoritmos genéticos, el recocido simulado o la optimización por colonias de hormigas . Liao et al. [1] presentan una revisión de la aplicación de los métodos heurísticos en el campo de la gestión del proyecto y de la construcción. (más…)

19 diciembre, 2015
 
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Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica

Resumen: Este artículo se ocupa del diseño automático de estribos abiertos de hormigón armado en puentes de carretera de coste mínimo, empleando para ello dos algoritmos híbridos de escalada estocástica con operadores de mutación basados en los algoritmos genéticos. Los algoritmos empleados se basan en el recocido simulado (SAMO) y en la aceptación por umbrales (TAMO). Ambos algoritmos se aplican a un estribo definido por 40 variables discretas. Se han comprobado ahorros económicos superiores al 18 % respecto a un estribo de referencia de una altura de 9 m realmente construido, con diferencias pequeñas entre ambos algoritmos, del 0,5 % a favor de SAMO. Además, se ha realizado un estudio paramétrico para alturas de estribo entre 6 y 15 m para diferentes tensiones admisibles del terreno que ofrece criterios de predimensionamiento a los proyectistas. Se ha comprobado, además, que el ahorro económico se localiza fundamentalmente en la zapata de estas estructuras.

Palabras clave: Hormigón estructural; optimización heurística; estribos; recocido simulado; aceptación por umbrales; diseño estructural; puentes.

Cómo citar este artículo/Citation: Luz, A., Yepes, V., González-Vidosa, F., Martí, J. V. (2015). Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica. Informes de la Construcción, 67(540): e114, doi: http://dx.doi.org/10.3989/ic.14.089.

Descargar (PDF, 883KB)

14 octubre, 2015
 
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Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges

Fig 1En este post os dejo el resumen, la referencia y el enlace a un artículo que acaban de publicarnos en la revista Engineering Structures donde aplicamos esta metodología en la optimización sostenible del diseño de una pasarela peatonal formada por una viga cajón postesada. Esta investigación está financiada dentro del Proyecto HORSOST (BIA2011-23602) financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación.

Resumen: Este artículo tiene como objetivo el diseño sostenible de puentes viga peatonales de hormigón postesado de sección en cajón. Para ello se utiliza un algoritmo heurístico híbrido de búsqueda armónica (hybrid harmony search) con la aceptación por umbrales para encontrar la geometría y los materiales necesarios para que la suma de los costos y la huella de carbono sea lo más baja posible, cumpliendo con todas las restricciones de seguridad estructural y durabilidad. Para ajustar los parámetros del algoritmo se utilizó la metodología del diseño de experimentos. Se realizó asimismo un estudio paramétrico en pasarelas de 90 a 130 m de luz. Los resultados encontrados indican que la optimización con ambas funciones objetivo conducen a resultados similares en coste, si bien con soluciones diferentes. Los resultados sugieren que la reducción en las emisiones de CO2 conllevan mayores cantos, más pretensado y menores resistencias características del hormigón empleado.  La metodología presentada supone una propuesta detallada de las reglas de predimensionamiento de este tipo de estructuras teniendo en cuenta un enfoque medioambiental.

Palabras clave: Diseño sostenible, hormigón postesado, viga en cajón, pasarelas, optimización, búsqueda armónica.

Referencia: GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PÉREZ-LÓPEZ, E. (2015). Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92:112-122. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.03.015 (link)

18 julio, 2015
 
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Teoría del valor extremo aplicada a la optimización de puentes

camion grande_tcm17-2842Resumen–El artículo establece un criterio de parada para un algoritmo multiarranque basado en el recocido simulado aplicado a la optimización de losas de puentes de vigas prefabricadas de hormigón pretensado. Para ello se ha comprobado que los óptimos locales encontrados constituyen valores extremos que ajustan a una función Weibull de tres parámetros, siendo el de posición, γ, una estimación del óptimo global que puede alcanzar el algoritmo. Se puede estimar un intervalo de confianza para γ ajustando una distribución Weibull a muestras de óptimos locales extraídas mediante una técnica bootstrap de los óptimos disponibles. El algoritmo multiarranque se detendrá cuando se acote el intervalo de confianza y la diferencia entre el menor coste encontrado y el teórico ajustado a dicha función Weibull.

Palabras clave— Puentes pretensados, teoría del valor extremo, recocido simulado, optimización heurística, diseño de estructuras.

Referencia: YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2015). Teoría del valor extremo como criterio de parada en algoritmos estocásticos multiarranque. Aplicación a la optimización heurística de puentes. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida,  329-336. ISBN: 978-84-697-2150-6.

18 febrero, 2015
 
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Algoritmo híbrido de enjambre de luciérnagas y aceptación por umbrales para el diseño de vigas

puente CV-13 construcciónResumen—Este estudio convierte el diseño estructural en una optimización de variables discretas. Se propone un algoritmo híbrido de enjambre de luciérnagas para buscar soluciones con menores emisiones totales y anuales. El algoritmo combina la búsqueda colectiva de la optimización de enjambre luciérnagas “glowworm swarm optimization“(GSO) y la capacidad de búsqueda local del umbral de aceptación “threshold accepting” (TA). La estructura propuesta es una viga de hormigón en doble T biapoyada definida por 20 variables. Se estudia la resistencia del hormigón desde 30MPa hasta 100MPa. Esta comunicación propone un método para calibrar los parámetros del algoritmo con independencia de la función objetivo y del tamaño del enjambre. Los resultados muestran que TAGSO consigue diseños de vigas que emiten un 25% menos de CO2. La optimización de las emisiones anuales reduce la cantidad de CO2 al año en un 61% con un incremento total de las emisiones de CO2 del 9%.

Palabras clave-– Enjambre de luciérnagas, algoritmo híbrido, hormigón de alta resistencia, variables discretas.

Referencia: GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J. (2015). Algoritmo híbrido de enjambre de luciérnagas y aceptación por umbrales para diseño de vigas. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida, pp. 699-705. ISBN: 978-84-697-2150-6.

18 febrero, 2015
 
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Aplicación de metaheurísticas en la optimización de pasos superiores de carreteras

VigasArtesas_09Resumen–El artículo se ocupa de la optimización económica de los tableros de los pasos superiores de carreteras formados por una losa de hormigón ejecutada in situ y dos vigas artesa prefabricadas de hormigón pretensado autocompactable. Se comprueba la eficacia de las distintas metaheurísticas aplicadas en la optimización: “descent local search” (DLS), “simulated annealing” (SA), “threshold accepting” (TA), “genetic algoritms” (GA) y “memetic algorithms” (MA). Los cálculos de las tensiones y de sus envolventes, son programados en lenguaje fortran  directamente por los autores. Los algoritmos de optimización heurística se aplican a un tablero de 35 m de luz y 12 m de ancho. Los parámetros que definen la forma de la sección de la viga se adaptan a los moldes de una instalación de prefabricados. El ejemplo que se analiza consta de 59 variables discretas. El módulo de la evaluación incluye los estados límite último y de servicio que se aplican comúnmente para estas estructuras: flexión, cortante, torsor, fisuración, flechas, etc. Los algoritmos SA y TA se han calibrado previamente a partir del DLS, y el MA a partir del GA y del SA. Cada heurística se procesa nueve veces, obteniéndose información estadística sobre el valor mínimo, el medio y las desviaciones. Se realiza un análisis del rendimiento de las distintas heurísticas, basado en un estudio de las soluciones Pareto-óptimas entre tiempo de ejecución y rendimiento. Los mejores resultados se obtienen para el SA y el TA, siendo el coste mínimo de 108008 €, correspondiente al SA. Finalmente, entre las principales conclusiones de este estudio, destaca que las soluciones y los tiempos de proceso computacional son tales, que estos métodos se pueden aplicar de un modo práctico a casos reales, y que el conocimiento derivado del uso de estos algoritmos permiten  recomendar rangos de valores para emplearlos en el diseño optimizado de estas estructuras y en su aplicación para los predimensionados de las variables.

Palabras clave—Optimización, metaheurística, puentes, pasos superiores, diseño de estructuras.

Referencia: MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Aplicación de metaheurísticas en la optimización de pasos superiores de carreteras. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida, pp. 241-247. ISBN: 978-84-697-2150-6.

12 febrero, 2015
 
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Optimización heurística para la gestión de infraestructuras: aplicación a una red de pavimentos urbanos en Chile

Resumen: A pesar de la importancia de las infraestructuras en el desarrollo económico y social, los recursos disponibles para su conservación suelen ser insuficientes, generando un deterioro acelerado de las mismas. En este contexto surge la disciplina de gestión de infraestructuras, la cual combina conocimientos propios de la ingeniería y economía para conseguir una asignación óptima de recursos para la gestión, operación y conservación de las infraestructuras mediante un análisis de su ciclo de vida. Sin embargo, la asignación óptima de recursos de conservación a una red de infraestructuras es un problema que no tiene una solución directa. De hecho, existen S^(TxN) soluciones factibles para una red compuesta por N activos, S posibles tratamientos de conservación y un periodo de análisis de T años. Los métodos de optimización mayoritariamente empleados para resolver este problema son los de optimización matemática y los métodos de cuasi-optimización. Sin embargo, las aplicaciones de métodos de optimización heurísticos resultan escasas y se limitan a resolver el problema de optimización a nivel de proyecto. Este trabajo presenta una herramienta de optimización heurística para el diseño de programas de mantenimiento de redes de infraestructuras. El objetivo de esta herramienta es asistir en la toma de decisiones para el mantenimiento de infraestructuras sujetas a restricciones presupuestarias. Esta herramienta se aplica a una red de pavimentos urbanos en Chile. De esta aplicación se concluye que la herramienta propuesta permite optimizar los recursos disponibles para el mantenimiento resultando en niveles de servicio superiores a los obtenidos bajo la política actual de mantenimiento.

Referencia: TORRES-MACHÍ, C.; CHAMORRO, A.; PELLICER, E.; YEPES, V.; OSORIO, A.; VIDELA, C. (2014). Optimización heurística para la gestión de infraestructuras: aplicación a una red de pavimentos urbanos en Chile. 11er Congreso Internacional PROVIAL, 20-14 octubre, Valdivia (Chile), 14 pp.

 

10 febrero, 2015
 
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