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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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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

Universidad Politécnica de Valencia