Heuristic optimization of short corbels by smeared cracking finite element analysis

A continuación os dejo un artículo donde se aplica la optimización heurística mediante recocido simulado de ménsulas cortas de hormigón armado usando para ello elementos finitos con fisuración distribuida.

También puedes encontrar el artículo en acceso abierto en: https://www.witpress.com/elibrary/wit-transactions-on-the-built-environment/125/23501

 

 

 

Referencia:

ROJAS, G.; ROJAS, P.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; YEPES, V. (2012). Heuristic optimization of short corbels by smeared cracking finite element analysis. International Conference on Computer Aided Optimum Design in Engineering, 20-22 june. Computer Aided Optimum Design in Engineering XII. Vol. 125, pp. 71-82. Edited By: S. HERNANDEZ, University of A Coruña, Spain, C.A. BREBBIA, Wessex Institute of Technology, UK and W.P. DE WILDE, Vrije Universiteit Brussel, Belgium. DOI: 10.2495/OP120071  ISSN: 1743-3509 (on line).

 

 

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Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing

Diseño de puentes de carretera de hormigón prefabricado pretensado usando un algoritmo híbrido basado en el recocido simulado

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2013). Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing. Engineering Structures, 48:342-352. DOI:10.1016/j.engstruct.2012.09.014. ISSN: 0141-0296.(link)

Artesa-Img6122En este trabajo se describe un método para el análisis y el diseño de puentes de carretera prefabricados de hormigón pretensado, con sección transversal en doble U y vanos isostáticos. El procedimiento utilizado para resolver este problema combinatorio es una variante del algoritmo del recocido simulado, usando como movimiento basado en un operador de mutación de los algoritmos genéticos (SAMO). El algoritmo se aplica al coste económico de estas estructuras a lo largo de las diferentes etapas de su fabricación, transporte y construcción. El problema implica 59 variables de diseño discretas para definir la geometría de la viga y de la losa, los materiales en estos dos elementos, y la armadura activa y pasiva. Del estudio paramétrico se concluye una buena correlación entre el coste, las características geométricas y el armado con respecto a la luz del puente, lo cual es de gran interés para el predimensionamiento de estos puentes prefabricados. También se realizó un análisis de sensibilidad al cambio de los costes, comprobándose que si existe un aumento del 20% en el coste del acero, entonces se produce un incremento del 11,82% del coste total. Sin embargo, un aumento en el 20% en el coste del hormigón, produce sólo un incremento del 4,20% en el coste total, 2,8 veces menos. Este análisis también mostró que las características de los puentes optimizados dependen de los escenarios económicos contemplados para el precio del acero y del hormigón. Indicar por último que existe un incremento del volumen necesario de hormigón cuando se eleva el coste del acero; pero sorprendentemente, la variación en el volumen de hormigón es casi insensible a su encarecimiento.

imagen

Resultados interesantes:

  • El coste del puente se duplica cuando la luz aumenta de 20 a 40 m.
  • La resistencia característica del hormigón en la viga oscila entre 40 y  50 MPa para los rangos entre 20 y 40 m de luz, mientras que en la losa se encuentra entre 35 y 40 MPa.
  • El canto de la viga presenta una esbeltez que no baja de L/18.
  • El espesor de las almas es de 10 cm en todos los casos. El resto de variables se encuentran en función de la luz y permiten un predimensionamiento de la estructura.
  • El estudio de sensibilidad de precios indica que un incremento del 20% en el coste del acero supone un aumento del coste total del 11,82%. Sin embargo, el incremento es del 20% en el hormigón, el coste total sólo sube un 4,20%. La subida del acero lleva a estructuras con menos cuantías de acero, pero existe una variación significativa en el volumen del hormigón cuando éste sube el 20%.

ABSTRACT

This paper describes one approach to the analysis and design of prestressed concrete precast road bridges, with double U-shaped cross-section and isostatic spans. The procedure used to solve the combinatorial problem is a variant of simulated annealing with a neighborhood move based on the mutation operator from the genetic algorithms (SAMO). This algorithm is applied to the economic cost of these structures at different stages of manufacturing, transportation and construction. The problem involved 59 discrete design variables for the geometry of the beam and the slab, materials in the two elements, as well as active and passive reinforcement. The parametric study showed a good correlation for the cost, geometric and reinforcement characteristics with the span length, which can be useful for the day-to-day design of PC precast bridges. A cost sensitivity analysis first indicates that a maximum 20% rise in steel costs leads to an 11.82% increase in the cost, while a 20% rise in concrete costs increases the cost up to 4.20%, namely 2.8 times less. The analysis also indicated that the characteristics of the cost-optimized bridges are somewhat influenced by different economic scenarios for steel and concrete costs. Finally, there is a growth in the volume of concrete when the steel cost rises; surprisingly, the variation in the volume of concrete is almost insensitive to its rising price.

KEYWORDS

Concrete structures; Heuristic optimization; Precast beams; Prestressed concrete structures; Simulated annealing; Structural design

Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm

Optimización del coste y las emisiones de CO2 de puentes de carretera de vigas prefabricadas pretensadas en U mediante un algoritmo híbrido de optimización por enjambre de luciérnagas

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2014). Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction, 49:123-134.  DOI: 10.1016/j.autcon.2014.10.013 (link)

VigasArtesas_09En este trabajo se describe una metodología para minimizar las emisiones de CO2 y los costes de puentes de carretera de vigas de hormigón pretensado prefabricadas con sección transversal en doble U. Para ello se ha utilizado un algoritmo híbrido de optimización por enjambre de luciérnagas (glowworm swarm optimization, GSO) y el recocido simulado (simulated anneling, SA), que se hemos denominado SAGSO. La estructura se define por 40 variables, que determina la geometría, los tipos de materiales y las armaduras de la viga y de la losa. Se utiliza hormigón de alta resistencia autocompactante en la fabricación de las vigas. Los resultados suponen para los ingenieros proyectistas una guía útil para el predimensionamiento de puentes prefabricados de este tipo. Además, los resultados indican que, de media, la reducción de 1 euro en coste permite ahorrar hasta 1,75 Kg en emisiones de CO2. Además, el estudio paramétrico realizado muestra que las soluciones de menor coste presentan un resultado medioambiental satisfactorio, que difiere en muy poco respecto a las soluciones que provocan menores emisiones.

Fig 1

Resultados interesantes:

  • El coste C, en euros, y las emisiones de CO2, en kg varían de forma parabólica con la luz (L) del vano, en metros:

C=48.088L2+613.99L+31139

kgCO2=63.418L2+2392.3L+13328

  • Si se minimiza el coste, también se reducen las emisiones de CO2, de forma que el ahorro en 1 euro equivale a ahorrar 1,75 kg de CO2.
  • La esbeltez de los puentes de mínimo coste (L/18.08) y de mínimas emisiones (L/17,57) siempre son inferiores a L/17.
  • El espaciamiento entre las vigas se sitúa en torno a 5,85 m, oscilando entre 5,65 y 5,95 m.
  • Las estructuras de coste mínimo precisan 42,35  kg/m2 de armadura pasiva, mientras que si se optimizan las emisiones, se necesitarían 37,04  kg/m2.
  • Sorprende observar que, aunque parece que el hormigón de alta resistencia sería el adecuado para el prefabricado de las vigas, las estructuras óptimas se alejan de este supuesto. De hecho el hormigón para el coste mínimo en las vigas prefabricadas oscila entre 40 y 50 MPa, alejado de los 100 MPa que permitía la optimización.
  • Por último, un análisis de sensibilidad de costes en los resultados optimizados indica que un aumento del 20% en los costes del acero haría que el coste total de la estructura aumentara un 10,27%, disminuyendo el volumen de acero empleado. Sin embargo, si sube un 20% el precio del hormigón, el coste total sólo subiría un 3,41% y no variaría apenas el volumen consumido de hormigón.

ABSTRACT

This paper describes a methodology to optimize cost and CO2 emissions when designing precast-prestressed concrete road bridges with a double U-shape cross-section. To this end, a hybrid glowworm swarm optimization algorithm (SAGSO) is used to combine the synergy effect of the local search with simulated annealing (SA) and the global search with glowworm swarm optimization (GSO). The solution is defined by 40 variables, including the geometry, materials and reinforcement of the beam and the slab. Regarding the material, high strength concrete is used as well as self-compacting concrete in beams. Results provide engineers with useful guidelines to design PC precast bridges. The analysis also revealed that reducing costs by 1 Euro can save up to 1.75 kg in CO2 emissions. The parametric study indicates that optimal solutions in terms of monetary costs have quite a satisfactory environmental outcome and differ only slightly from the best possible environmental solution obtained.

Keywords

Optimization; Glowworm swarm algorithm; Computer aided design; Structural design; Sustainable design; Precast concrete; Bridges

A memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement

Algoritmos meméticos para el diseño de puentes de carretera de vigas prefabricadas de hormigón pretensado con fibras de acero

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2014). A memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering ASCE, 141(2): 04014114. DOI:10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001058 , 04014114.

camion grande_tcm17-2842En este trabajo se describe la influencia de las fibras de acero en el diseño de coste mínimo de puentes de carretera de vigas prefabricadas con sección transversal en doble U pretensadas y vanos isostáticos. Para ello se utiliza un algoritmo memético con una búsqueda en entornos variable (MA-VDNS) para optimizar el coste de estas estructuras contando las fases de fabricación, transporte y construcción del puente. El problema implica 41 variables de diseño discretas que definen la geometría de la viga y de la losa, los materiales en ambos elementos, las armaduras pasiva y activa y la resistencia residual a tracción de las fibras. El uso de las fibras disminuye el peso medio de la viga en un 1,72% y reduce el número medio de tendones en un 3,59%; sin embargo, incrementa un 8,71% de media la armadura pasiva necesaria. Por último, y a pesar del mayor coste del hormigón con fibras, se comprueba que su uso es económicamente viable, pues se consigue una diferencia relativa media de coste respecto al hormigón sin fibras, inferior al 0,19%.

Figure 1

Resultados interesantes:

  • A pesar del mayor coste económico del hormigón con fibras y de que el estado de decompresión del hormigón no ocurre en ninguna fibra de la sección de la viga por el pretensado, el hormigón con fibras es competitivo económicamente respecto al no uso de fibras, puesto que la diferencia relativa es inferior al 5,36% en el peor de los casos.
  • El estudio paramétrico realizado indica una buena correlación del coste, canto y peso de la viga y número de tendones respecto a la luz del puente. Esto permite un predimensionamiento ajustado.
  • Se ha comprobado que las fibras reducen de media un 3,59% el número de tendones necesarios, lo cual significa que su uso puede compensar parte del pretensado necesario.
  • Sorprende comprobar que el uso de fibras incrementa de media un 8,71% la armadura necesaria por unidad de superficie de losa. Esto se puede explicar debido a que la carestía del hormigón con fibras hace que el algoritmo intente disminuir su volumen, lo cual se compensa con el incremento de armadura pasiva.
  • En el caso de las estructuras óptimas, se ha encontrado una reducción del 6% del peso de las vigas realizadas con fibras, lo cual puede ser relevante para el transporte e izado de los elementos.

Abstract

This paper describes the influence of steel fiber-reinforcement on the design of cost-optimized, prestressed concrete, precast road bridges, with a double U-shaped cross-section and isostatic spans. A memetic algorithm with variable-depth neighborhood search (MA-VDNS) is applied to the economic cost of these structures at different stages of manufacturing, transportation and construction. The problem involved 41 discrete design variables for the geometry of the beam and the slab, materials in the two elements, active and passive reinforcement, as well as residual flexural tensile strength corresponding to the fibers. The use of fibers decreases the mean weight of the beam by 1.72%, reduces the number of strands an average of 3.59%, but it increases the passive reinforcement by 8.71% on average, respectively. Finally, despite the higher cost of the fibers, their use is economically feasible since the average relative difference in cost is less than 0.19%.

Keywords: Heuristic optimization; precast beam; prestressed concrete bridge; steel fiber; structural design.

Link: http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29ST.1943-541X.0001058

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A parametric study of optimum tall piers for railway bridge viaducts

Estudio paramétrico de pilas altas para viaductos en las líneas de alta velocidad

MARTÍNEZ-MARTÍN, F.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2013). A parametric study of optimum tall piers for railway bridge viaducts. Structural Engineering and Mechanics, 45(6): 723-740. (link)

fig2El diseño de las pilas de viaductos tiene una especial importancia desde el punto de vista económico si pensamos que, dependiendo de la altura de las pilas y de las condiciones del terreno de cimentación, este coste puede llegar a ser el 50% del total del coste del puente. Este trabajo presenta un estudio paramétrico de pilas altas (más de 50 m de altura) de hormigón armado de sección hueca rectangular para puentes. Estas pilas se utilizan normalmente en la construcción de viaductos ferroviarios de hormigón pretensado. Para realizar la optimización de las pilas se empleó un algoritmo de optimización basado en el comportamiento de las hormigas (Ant Colony Optimization). Se han estudiado veintiún casos diferentes para siete alturas de columna de 40 , 50 , 60 , 70 , 80 , 90 y 100 m, y tres tipos de viaductos para líneas de alta velocidad con 10 tramos continuos, cuyas longitudes vano principal fueron 40 , 50 y 60 m. Las pilas estudiadas son las columnas intermedias colocadas en el medio de los viaductos. El número total de variables de diseño de optimización varía de 139 para pilas con altura de la columna de 40 m a 307 para pilas con altura de 100 m. Los resultados que se presentan en el trabajo son de gran valor para el diseño preliminar de este tipo de estructuras, con reglas de predimensionamiento práctico de interés.

Viaducto de O Eixo, www.adif.es

Resultados interesantes:

Las cuantías medias necesarias de acero y hormigón, tanto en alzado como en cimentación, para las pilas estudiadas varían entre 887 kg/m y 12 m3/m para alturas de 40 m a 2720 kg/m y 26 m3/3 en alguras de 100 m.

Los costes medios encontrados varían desde un mínimo de 3221 €/m para las pilas menos cargadas, a un máximo de 6206 €/m en el caso de las más cargadas.

A continuación os paso un par de gráficas que pueden ser de interés respecto al hormigón. El resto de información se puede ver en el artículo.

Pilas 1

Pilas 2

ABSTRACT

This paper presents a parametric study of reinforced concrete bridge tall piers with hollow, rectangular sections. Such piers are typically used in railway construction of prestressed concrete viaducts. Twenty one different piers have been studied with seven column heights of 40, 50, 60, 70, 80, 90 and 100 m and three types of 10-span continuous viaducts, whose main span lengths are 40, 50 and 60 m. The piers studied are intermediate columns placed in the middle of the viaducts. The total number of optimization design variables varies from 139 for piers with column height of 40 m to 307 for piers with column height of 100 m. Further, the results presented are of much value for the preliminary design of the piers of prestressed concrete viaducts of high speed railway lines.

KEYWORDS

Ant colony optimization; concrete structures; economic optimization; structural design; tall piers