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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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Comunicaciones presentadas al congreso MAEB 2015

Imagen1

A continuación vamos a presentar brevemente los resúmenes que enviamos al Congreso Nacional sobre Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados (MAEB). Este Congreso pretende ser un foro de encuentro, discusión y transferencia de conocimiento entre investigadores en el campo de las metaheurísticas y los algoritmos bioinspirados, con el fin de presentar e intercambiar experiencias y resultados.

La X edición, MAEB2015, se celebrará en Mérida-Almendralejo, durante los días 4 al 6 de Febrero de 2015, y está organizada por el Centro Universitario de Mérida perteneciente a la Universidad de Extremadura. Las áreas temáticas integradas en el congreso incluyen estudios teóricos, aplicaciones prácticas, experiencias docentes y desarrollos en el campo de investigación en optimización heurística (información detallada en el apartado de llamada a la participación). Los autores agradecen el aporte financiero realizado para este trabajo por el Ministerio de Ciencia e Innovación (Proyecto de Investigación BIA2011-23602) y por la Universitat Politècnica de València (Proyecto de Investigación SP20120341).

Anfiteatro de Mérida

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.
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%.

Puente Romano

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.
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.

Acueducto de Los Milagros

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2015). Teoría del valor extremo como criterio de parada en la optimización heurística de puentes. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida.
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.
31 enero, 2015
 
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HORSOST: Un proyecto de investigación sobre sostenibilidad y estructuras

Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH)

Creo interesante comentar en este post los resultados que estamos obteniendo de un Proyecto de Investigación financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación que nuestro grupo de investigación llama HORSOST. Su nombre completo describe el contenido del trabajo que estamos desarrollando: “Diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo mediante el empleo de técnicas de minería de datos“.

Se trata de un proyecto que empezamos en el año 2012 y que tiene prevista su finalización a finales del 2014. Nuestro grupo de investigación está formado por seis profesores y varios becarios de investigación del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) de  la Universidad Politécnica de Valencia. En dicho grupo me corresponde el papel de investigador principal. Espero que esta breve descripción os oriente sobre lo que estamos haciendo.

(más…)

El Plan de Estudios del Máster en Ingeniería del Hormigón

En este post me gustaría dar cierta información básica del Máster Oficial en Ingeniería del Hormigón que se imparte en el Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Se trata de un máster verificado por ANECA que deriva de la docencia impartida en el Programa de Doctorado de dicho departamento. Es un máster de orientación tanto profesional como investigadora, con una fuerte presencia de alumnos procedentes de otros países, fundamentalmente del ámbito latinoamericano y europeo. Se trata del único máster especializado en hormigón impartido en lengua española a nivel internacional. Sus profesores pertenecen todos ellos al ICITECH, Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón, instituto de investigación con laboratorios e instalaciones propias para desarrollar las líneas de investigación asociadas.

Los estudios del Máster en Ingeniería del Hormigón proporcionan tanto un amplio conocimiento sobre el hormigón como material de construcción como las habilidades necesarias para el análisis y diseño de estructuras de hormigón. Estos estudios incluyen aspectos que van desde la naturaleza y propiedades químicas de los componentes que lo constituyen y las propiedades tecnológicas y de durabilidad, incluyendo la tecnología de diseño, producción y puesta en obra del hormigón, hasta los relacionados con el diseño, análisis, construcción, mantenimiento y reparación de estructuras. Todos ellos abordados  teniendo en cuenta criterios de calidad, seguridad, sostenibilidad, cooperación al desarrollo y responsabilidad social corporativa. (más…)

3 enero, 2015
 
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¿Cuánto CO2 se emite cuando empleamos hormigón?

http://www.construdata.com/

Una de las mayores preocupaciones actuales es el calentamiento del planeta debido a la emisión desmesurada de gases de efecto invernadero, entre los cuales está el CO2. Siempre se ha dicho que la construcción es uno de los sectores que más influye en dicho cambio climático fundamentalmente porque la fabricación de cemento Portland provoca un emisión considerable de CO2, que llega a ser el 5% del balance total de emisiones mundiales. Incluso determinados informes avisan de que la industria de la construcción, en su conjunto, podría ser responsable de generar entre el 40 y el 50% de todos los gases de efecto invernadero.

Simplificando, podemos decir que fabricar una tonelada de cemento Portland supone una emisión de una tonelada de CO2. Sin embargo, el uso de cementos con adiciones puede reducir drásticamente este tipo de emisiones, incluso a un 40%.

Sin embargo, no siempre tenemos en cuenta todos los factores que entran en juego. Recientemente, nuestro grupo de investigación realizó un ejercicio de análisis de ciclo de vida completo del hormigón empleado en fabricar un elemento estructural sencillo, como puede ser una columna de hormigón armado (García-Segura et al., 2014). Algunos resultados son de gran interés, especialmente los relacionados con los cementos con adiciones, la carbonatación y con la reutilización del material al terminar su ciclo de vida.

Efectivamente, de todos es conocido el fenómeno de la carbonatación, por la cual el hormigón captura CO2 y pierde la alcalinidad que protege de la corrosión a las armaduras, acortando por tanto la vida útil de la estructura. Aunque el fenómeno es perverso, también es cierto que dicha carbonatación supone un sumidero de gases de efecto invernadero. La cuantificación de este efecto, más la carbonatación última que puede tener lugar al final del ciclo de vida de las estructuras si usamos el hormigón, por ejemplo como árido machacado de relleno, puede hacer que el balance de CO2 completo sea diferente al que estamos acostumbrados.

Carbonatación del hormigón, que al bajar el Ph del hormigón, puede llevar a la corrosión de la armadura

Los cementos con adiciones utilizan ciertos subproductos de desecho para reemplazar el cemento Portland, el principal contribuyente a las emisiones de CO2 en la fabricación de hormigón. El objetivo de este estudio es determinar si la reducción de la durabilidad y la reducción de la carbonatación de los hormigones con cementos con adiciones compensan las menores emisiones en su producción. Este estudio evalúa las emisiones y la captura de CO2 en una columna de hormigón armado durante su vida útil y después de su demolición y reutilización como grava de relleno. El deterioro del hormigón debido a la carbonatación y la inevitable corrosión de las armaduras, terminan con la vida útil de la estructura. Sin embargo, la carbonatación continúa incluso después de la demolición, debido a la mayor superficie expuesta del material reciclado. Los resultados indican que los hormigones fabricados con cemento Portland, con adiciones de cenizas volantes silíceas (35% FA) y con escoria siderúrgicas granuladas de alto horno (80% BFS), capturan un 47, 41 y 20%, respectivamente, de las emisiones de CO2. La vida de servicio de cementos con altas cantidades de adiciones, como CEM III/A (50 % BFS), CEM III/B (80 % BFS), y CEM II/BV (35 % FA), es aproximadamente un 10 % más corta, debido al mayor coeficiente de velocidad de carbonatación. En comparación con el cemento Portland, y a pesar de una menor captura de CO2 y de vida útil, el CEM III/B emite un 20 % menos de CO2 al año. Se concluye que la adición de FA al cemento Portland, en lugar de BFS, conduce a menores emisiones, pues FA necesita menos procesamiento después de ser recogido, y las distancias de transporte son generalmente más cortas. Sin embargo, las mayores reducciones se lograron usando BFS, debido a que se puede reemplazar una cantidad mayor de cemento. Los cementos con adiciones emiten menos CO2 al año durante el ciclo de vida de una estructura, a pesar de que dicha adición reduce notablemente la vida útil. Si el hormigón se recicla como grava en relleno, la carbonatación puede reducir las emisiones de CO2 a la mitad. El caso estudiado demuestra cómo se pueden utilizar los resultados obtenidos.

Os dejo a continuación los resultados, en tablas, de dicho balance aplicados a distintos tipos de cementos, con más o menos adiciones. Podréis comprobar que se ha analizado el ciclo completo, desde la producción (incluido el transporte), la construcción, el uso, la demolición y tras la demolición. En el artículo de referencia tenéis los detalles del estudio.

 

Resultados interesantes:

  • La vida de servicio de cementos con altas cantidades de adiciones, como CEM III/A (50 % BFS), CEM III/B (80 % BFS), y CEM II/BV (35 % FA), es aproximadamente un 10 % más corta, debido al mayor coeficiente de velocidad de carbonatación.
  • CEM III/B emite un 20% menos de CO2 anual que el CEM Portland, a pesar de que tiene una vida útil menor y que recarbonata mucho menos. En valores de emisiones absolutas, CEM III/B emite un 28% menos que el CEM Portland. También es verdad que este cemento se recomienda en para hormigón en masa y armado de grandes volúmenes, como presas de hormigón vibrado o cimentaciones de hormigón armado. No es utilizable para hormigón de alta resistencia, hormigón prefabricado u hormigón pretensado.
  • Si el hormigón se recicla como grava en relleno, la carbonatación puede reducir las emisiones de CO2 a la mitad.

Grandes volúmenes de hormigón vibrado

De todos modos, no todos los tipos de cementos sirven para cualquier cosa. Os dejo estos enlaces que creo os serán útiles:

 

Referencias:

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2014). Life-cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability. The International Journal of Life Cycle Assessment, 19(1):3-12. DOI 10.1007/s11367-013-0614-0 (link)

GARCÍA-REY, J.; YEPES, V. (2012). Environmental Assessment of Concrete Structures. International Journal of Construction Engineering and Management, 1(3): 33-41. doi: 10.5923/j.ijcem.20120103.04.  (link)

8 noviembre, 2014
 
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Lecciones aprendidas en la optimización de estructuras de hormigón y la sostenibilidad

Hoy empieza el VI Congreso Internacional de Estructuras ACHE en Madrid. Es un buen momento para reflexionar sobre las lecciones aprendidas en optimización de estructuras de hormigón y su sostenibilidad. Son reflexiones fruto del trabajo de los últimos 8 años de investigación que permiten establecer algunas conclusiones que creo son de interés para los que nos dedicamos a la ingeniería civil, y en particular, a la investigación sobre el hormigón estructural y las infraestructuras en general.

Toda esta aventura empezó con la lectura de mi tesis doctoral, en el año 2002, sobre optimización de redes de transporte. Elegí este tema al ser profesor de la asignatura de Procedimientos de Construcción y estar interesado en profundizar en aspectos como el movimiento de tierras y la modelización del transporte. La realización de esta tesis me permitió adentrarme en un mundo desconocido para mí que era la optimización heurística y la inteligencia artificial. A pesar de las novedades que presentó la tesis y las publicaciones posteriores, me di cuenta que traspasar la frontera entre el mundo de las ideas a la realidad cotidiana del transporte suponía un reto de un alcance superior: la toma de decisiones en tiempo real en las rutas de distribución requería una actualización constante de gran cantidad de datos: tráfico, congestión, demanda de clientes, stocks, costes variables, etc. El problema no era la optimización, sino la gestión de cantidades masivas de datos que se actualizaban permanentemente. (más…)

3 junio, 2014
 
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Aportaciones al VI Congreso Internacional de Estructuras ACHE

Durante los días 3 a 5 de junio de 2014 tendrá lugar en Madrid el VI Congreso Internacional de Estructuras organizado por la Asociación Científico-técnica el Hormigón Estructural (ACHE). Es una magnífica oportunidad de encuentro entre profesionales y especialistas relacionados con las estructuras. Nuestro grupo de investigación no podía faltar a esta cita. Es por ello que, como avance, dejamos a continuación los resúmenes de las comunicaciones que están previstas exponer en el marco de dicho congreso. Os esperamos en el congreso para tener una excusa para compartir ideas. (más…)

25 mayo, 2014
 
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Comunicaciones presentadas en el 2º Congreso EIME

En plena celebración del 2º Congreso Nacional sobre Enseñanza de las Matemáticas en Ingeniería de Edificación, desarrollado los días 18 y 19 de julio de 2013 en la Universitat Politècnica de València, aprovecho para presentar los resúmenes de los trabajos que hemos presentado. Espero que sean de vuestro interés.

Los autores agradecen el aporte financiero realizado para este trabajo por el Ministerio de Ciencia e Innovación (Proyecto de Investigación BIA2011-23602) y por la Universitat Politècnica de València (Proyecto de Investigación PAID-06-12). (más…)

19 julio, 2013
 
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ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón)

 

El Instituto ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón) es un Centro de Investigación de la Universidad Politécnica de Valencia creado en 2005, que agrupa a los profesores e investigadores cuya actividad investigadora se centra en el hormigón. Actualmente forman parte del instituto un total de 63 miembros, de los cuales 32 son profesores, 14 son investigadores contratados y el resto personal técnico de apoyo a la investigación y de administración.

La finalidad del Instituto es la investigación del hormigón, tanto desde el punto de vista de los materiales constituyentes como el de las estructuras, en una amplia gama de aspectos como el proceso de fabricación, el comportamiento fisco-químico, mecánico o medioambiental, la sostenibilidad o el comportamiento, diseño, construcción y mantenimiento de las estructuras. Los objetivos son fomentar y promover la investigación de calidad a través de la realización de proyectos de I+D, potenciar la investigación aplicada, la transferencia de tecnología y de conocimiento a las empresas afines y la participación de socios industriales. (más…)

26 enero, 2012
 
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Universidad Politécnica de Valencia