Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions

Foto: laseda.accionistas.es

¿Es posible un mantenimiento sostenible de las carreteras cuando apenas existen presupuestos para ello? A continuación os dejo el enlace a un artículo científico que nos acaban de publicar donde se muestra la posibilidad de utilizar técnicas de optimización heurística para conseguirlo.

La editorial Elsevier permite que te descargues gratuitamente este artículo hasta el día 29 de marzo de 2017. Para ello tienes que acceder al siguiente enlace:

https://authors.elsevier.com/a/1UWKw3QCo9NAoM

 

 

 

Referencia: 

TORRES-MACHI, C.; PELLICER, E.; YEPES, V.; CHAMORRO, A. (2017). Towards a sustainable optimization of pavement maintenance programs under budgetary restrictions. Journal of Cleaner Production, 148:90-102. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652617301142

Abstract:

Transport sector constitutes the second largest source of global greenhouse gas (GHG) emissions, being the road transportation the main contributor of these emissions. Efforts in the road sector have traditionally focused on vehicle emissions and infrastructure is typically not included in the emissions account. Road environmental impact is estimated to increase by 10% if the stages of road design, construction, and operation were considered. Previous literature has widely study sustainable practices in pavement design and construction, with little attention paid to maintenance. Current state of practice reveals that pavement managers barely consider environmental performance and their evaluations solely rely on technical and economic criteria. This situation creates the need to incorporate, in an integrated manner, technical, economic, and environmental aspects in the design of maintenance programs. The main objective of this research is to develop a tool for the optimal design of sustainable maintenance programs. Given a maintenance budget, the tool aims to maximize the long-term effectiveness of the network while minimizing GHG emissions derived from the application of maintenance treatments. The capability of the proposed tool is analyzed in a case study dealing with an urban pavement network. In comparison to the traditional maintenance policy, the proposed tool designs maintenance programs that increase the average network condition by up to 22% and reduces GHG emissions by 12%. This application also analyzes the effect of different budgetary scenarios in the technical and environmental performance of the network. This application helps pavement managers in the trade-off between budget and network performance.

Keywords:

  • Greenhouse gas emissions;
  • Long-term effectiveness;
  • Optimization;
  • Sustainability;
  • Pavement management;
  • Sensitivity analysis

Life cycle assessment of cost-optimized buttress earth-retaining walls: a parametric study

s09596526Nos acaban de publicar un artículo que versa sobre la evaluación del ciclo de vida de muros óptimos de contrafuertes. En este estudio se han analizado 30 muros optimizados de varias alturas (4-13 m), con terrenos de distintas capacidades portantes (0,2; 0,3 y 0,4 MPa). Os paso la referencia, el resumen y el enlace al artículo. Espero que os sea de interés.

NOTICIA: Hasta el 21 de diciembre de 2016 podéis descargaros gratis el artículo directamente en:

http://authors.elsevier.com/a/1Tz-03QCo9JQWX

Aprovecha la oportunidad para no pagar los costes de descarga.

Highlights

  • A life cycle assessment over 30 optimized earth-retaining walls is conducted
  • Concrete presents the highest contribution to all impact categories
  • Steel significance on every impact increases with wall size
  • The recycling rate influences each impact category to different degrees
  • Savings on abiotic resource depletion with 70% recycled steel are about 72%

 

l-31-fig31-3-counterfort-retaining-wallsAbstract:

In this paper life cycle assessments are carried out on 30 optimized earth-retaining walls of various heights (4–13 m) and involving different permissible soil stresses (0.2, 0.3 and 0.4 MPa) in Spain. Firstly, the environmental impacts considered in the assessment method developed by the Leiden University (CML 2001) are analyzed for each case, demonstrating the influence of the wall height and permissible soil stress. Secondly, this paper evaluates the contribution range of each element to each impact. The elements considered are: concrete, landfill, machinery, formwork, steel, and transport. Moreover, the influence of the wall height on the contribution of each element over the total impact is studied. This paper then provides the impact factors per unit of concrete, steel, and formwork. These values enable designers to quickly evaluate impacts from available measurements. Finally, the influence of steel recycling on the environmental impacts is highlighted. Findings indicate that concrete is the biggest contributor to all impact categories, especially the global warming potential. However, the steel doubles its contribution when the wall heights increase from 4 m to 13 m. Results show that recycling rates affect impacts differently.

Keywords

Life cycle assessmentRetaining wallSustainability; Buttressed wall

Referencia:

ZASTROW, P.; MOLINA-MORENO, F.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.; YEPES, V. (2017). Life cycle assessment of cost-optimized buttress earth-retaining walls: a parametric study. Journal of Cleaner Production, 140:1037-1048. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.10.085

 

 

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

Sin título

ACCESO LIBRE AL ARTÍCULO:

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.

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)

 

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.

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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)

¿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)

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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