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Multi-objective design of post-tensioned concrete road bridges using artificial neural networks

Nos acaban de publicar en línea en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization (revista indexada en JCR en el primer cuartil) un trabajo de investigación en el que utilizamos las redes neuronales artificiales junto para el diseño multiobjetivo de puentes postesados de carreteras. Os paso a continuación el resumen y el enlace al artículo por si os resulta de interés. El enlace del artículo es el siguiente: http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00158-017-1653-0

Referencia:

García-Segura, T.; Yepes, V.; Frangopol, D.M. (2017). Multi-objective design of post-tensioned concrete road bridges using artificial neural networks. Structural and Multidisciplinary Optimization, doi:10.1007/s00158-017-1653-0

Abstract:

In order to minimize the total expected cost, bridges have to be designed for safety and durability. This paper considers the cost, the safety, and the corrosion initiation time to design post-tensioned concrete box-girder road bridges. The deck is modeled by finite elements based on problem variables such as the cross-section geometry, the concrete grade, and the reinforcing and post-tensioning steel. An integrated multi-objective harmony search with artificial neural networks (ANNs) is proposed to reduce the high computing time required for the finite-element analysis and the increment in conflicting objectives. ANNs are trained through the results of previous bridge performance evaluations. Then, ANNs are used to evaluate the constraints and provide a direction towards the Pareto front. Finally, exact methods actualize and improve the Pareto set. The results show that the harmony search parameters should be progressively changed in a diversification-intensification strategy. This methodology provides trade-off solutions that are the cheapest ones for the safety and durability levels considered. Therefore, it is possible to choose an alternative that can be easily adjusted to each need.

Keywords:

Multi-objective harmony search; Artificial neural networks; Post-tensioned concrete bridges; Durability; Safety.

Design optimization of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement by a hybrid evolutionary algorithm

http://www.tierra-armada.com/

http://www.tierra-armada.com/

Recientemente hemos publicado un artículo donde hemos empleado un algoritmo evolutivo híbrido para optimizar tanto el coste como las emisiones de CO2 de puentes en viga artesa, con la particularidad de usar hormigones con fibras de acero. Se trata de un problema combinatorio complejo, con 41 variables de diseño, que se aplicó a un puente de 30 m de luz y una anchura de calzada de 12 m. Os dejo a continuación el artículo completo.

Abstract: 

In this paper, the influence of steel fiber-reinforcement when designing precast-prestressed concrete (PPC) road bridges with a double U-shape cross-section is studied through heuristic optimization. A hybrid evolutionary algorithm (EA) combining a genetic algorithm (GA) with variable-depth neighborhood search (VDNS) is formulated to minimize the economic cost and CO2 emissions, while imposing constraints on all the relevant limit states. The case study proposed is a 30-m span-length with a deck width of 12 m. The problem involved 41 discrete design variables. The algorithm requires the initial calibration. Moreover, the heuristic is run nine times so as to obtain statistical information about the minimum, average and deviation of the results. The evolution of the objective function during the optimization procedure is highlighted. Findings show that heuristic optimization is a forthcoming option for the design of real-life prestressed structures. This paper provides useful knowledge that could offer a better understanding of the steel fiber-reinforcement in U-beam road bridges.

Keywords: hybrid evolutionary algorithm, precast-prestressed concrete, steel fiber-reinforcement, U-shape cross-section.

Reference:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2017). Design optimization of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement by a hybrid evolutionary algorithm. International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements, 5(2):179-189.

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3 enero, 2017
 
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Heuristic design of a precast-prestressed concrete U-beam and post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridges

Viaducto St. Cloud, Francia – 2000. http://vslmex.com.mx/

En estos momentos es posible automatizar completamente el diseño óptimo de puentes usando algoritmos heurísticos. A continuación os dejo, en abierto, un capítulo de libro en el que se explica tanto la optimización de un puente de vigas artesas prefabricado como otro construido “in situ” como losa de hormigón postesado. Se trata de un trabajo incluido dentro del proyecto de investigación BRIDLIFE. Este tipo de técnicas acabarán imponiéndose en unos años en los paquetes informáticos de cálculo. Sin embargo, resulta muy importante resaltar que el proyectista es el que tiene la última palabra en el diseño.

Referencia:

Martí, J.V.; Alcalá, J.; García-Segura, T.; Yepes, V. (2016). Heuristic design of a precast-prestressed concrete U-beam and post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridges. In: Hernández, S.; Brebbia, C.A.; de Wilde, W.P. (eds.), High Performance and Optimum Design of Structures and Materials II. WIT Transactions on The Built Environment, Vol. 166. WIT Press, pp. 17-28. ISBN: 978-1-78466-143-4.

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20 diciembre, 2016
 
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Adelanto de resultados parciales del proyecto BRIDLIFE

ph_vigas-artesaEl objetivo del proyecto BRIDLIFE consiste en desarrollar una metodología que permita incorporar un análisis del ciclo de vida de vida de puentes de hormigón pretensado definiendo un proceso de toma de decisiones que integre los aspectos sociales y medioambientales mediante técnicas analíticas de toma de decisiones multicriterio. Los resultados esperados pretenden detallar qué tipologías, actuaciones de conservación y alternativas de demolición y reutilización son adecuadas para minimizar los impactos, dentro de una política de fuerte limitación presupuestaria que compromete seriamente las políticas de creación y conservación de las infraestructuras.

Este es un proyecto competitivo financiado por el Ministerio Español de Economía y Competitividad y fondos FEDER (proyecto de investigación BIA2014-56574-R), cuya duración abarca los años 2015-2017. En este momento, superado el ecuador del proyecto, podemos dar cuenta de algunos de los resultados ya publicados en revistas de impacto que espero os sean de interés.

Como antecedentes necesarios se indican algunos trabajos previos, fruto del proyecto HORSOST, precedente al actual. La optimización de un puente de vigas artesa se abordó con algoritmos híbridos basados en el recocido simulado [1] y algoritmos meméticos [2]; se utilizaron algoritmos de enjambres de luciérnagas para optimizar el coste y las emisiones de CO2 de vigas en I, incorporando la carbonatación en el ciclo de vida [3]; asimismo se evaluó el ciclo de vida de hormigones con distintas adiciones incluyendo la carbonatación y la durabilidad [4].

Las primeras aportaciones realizadas en el año 2015, ya dentro del proyecto, fueron la optimización de estribos abiertos mediante algoritmos híbridos de escalada estocástica [5]; la optimización del coste de puentes en vigas artesa con hormigón con fibras [6] y la optimización de las emisiones de CO2 de pasarelas de hormigón pretensado y sección en cajón [7]. Destaca también el trabajo desarrollado, basándose en una aproximación cognitiva, de una metodología que permite la toma de decisiones tras la aplicación de técnicas de optimización multiobjetivo [8].

En el año 2016 se empezaron a realizar aportaciones realizadas, fundamentalmente con la evaluación de los impactos sociales de las infraestructuras a lo largo del ciclo su ciclo de vida [9,10]. Se avanzó con la optimización de la energía embebida en puentes de vigas artesa [11] y en la optimización multiobjetivo del coste, las emisiones de CO2 y la seguridad a lo largo del ciclo de vida de puentes cajón [12]. Se han comparado puentes losa postesados y puentes prefabricados óptimos [13]. Otra aportación de interés se realizó con la colaboración del profesor Dan M. Frangopol, que realizó una estancia en nuestro grupo de investigación. Se comparó el coste del ciclo de vida de puentes cajón usando una aproximación basada en la fiabilidad [14].

Durante el año 2017, último del proyecto, existen trabajos ya publicados y otros en proceso de revisión. Se describen brevemente los ya publicados. Se aplicó el análisis de ciclo de vida completo atendiendo a todo tipo de impactos ambientales a muros de contrafuertes [15], introduciendo una metodología que se está aplicando a estructuras más complejas como los puentes. Se a introducido un metamodelo basado en redes neuronales para mejorar el rendimiento en el proceso de optimización multiobjetivo de puentes en cajón [16]. También se optimizaron las emisiones de CO2 en puentes de vigas artesa realizados con hormigones con fibras [17].

Aparte de estas aportaciones, directamente relacionadas con el proyecto BRIDLIFE, durante este periodo de tiempo destacan dos trabajos similares aplicados a la optimización del mantenimiento de pavimentos de carreteras desde los puntos de vista económicos y medioambientales [18,19].

Cabe destacar, por último, que durante los años 2015-2016 se han leído cinco tesis doctorales relacionadas, de forma directa o indirecta, con los objetivos desarrollados por el presente proyecto de investigación [20-24], existiendo otras cinco en estado avanzado de desarrollo.

Referencias:

[1] J.V. Martí, F. González-Vidosa, F.; V. Yepes, J. Alcalá, Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing, Engineering Structures. 48 (2013) 342-352.

[2] J.V. Martí, V. Yepes, F. González-Vidosa, A. Luz, Diseño automático de tableros óptimos de puentes de carretera de vigas artesa prefabricadas mediante algoritmos meméticos híbridos, Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería. 30(3) (2014) 145-154.

[3] T. García-Segura, V. Yepes, J.V. Martí, J. Alcalá, Optimization of concrete I-beams using a new hybrid glowworm swarm algorithm, Latin American Journal of Solids and Structures. 11(7) (2014) 1190-1205.

[4] T. García-Segura, V. Yepes, J.V. Martí, J. Alcalá, Life-cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability, International Journal of Life Cycle Assessment. 19(1) (2014) 3-12.

[5] A. Luz, V. Yepes, F. González-Vidosa, J.V. Martí, Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica, Informes de la Construcción. 67(540) (2015) e114.

[6] J.V. Martí, V. Yepes, F. González-Vidosa, Memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement, Journal of Structural Engineering ASCE. 141(2) (2015) 04014114.

[7] T. García-Segura, V. Yepes, J. Alcalá, E. Pérez-López, Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges, Engineering Structures. 92 (2015) 112-122.

[8] V. Yepes, T. García-Segura, J.M. Moreno-Jiménez, A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems, Archives of Civil and Mechanical Engineering. 15(4) (2015) 1024-1036.

[9] E. Pellicer, L.A. Sierra, V. Yepes, Appraisal of infrastructure sustainability by graduate students using an active-learning method, Journal of Cleaner Production. 113 (2016) 884-896.

[10] L.A. Sierra, E. Pellicer, V. Yepes, Social sustainability in the life cycle of Chilean public infrastructure, Journal of Construction Engineering and Management ASCE. 142(1) (2016) 05015020.

[11] J.V. Martí, T. García-Segura, V. Yepes. Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy, Journal of Cleaner Production. 120 (2016) 231-240.

[12] T. García-Segura, V. Yepes, Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety, Engineering Structures. 125 (2016) 325-336.

[13] J.V. Martí, J. Alcalá, T. García-Segura, V. Yepes, Heuristic design of precast-prestressed concrete U-beam and post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridges, International Conference on High Performance and Optimum Design of Structures and Materials (HPSM/OPTI 216) (2016), 10 pp.

[14] T. García-Segura, V. Yepes, D.M. Frangopol, D.Y. Yang, Comparing the life-cycle cost of optimal bridge designs using a lifetime reliability-based approach, Fifth International Symposium on Life -Cycle Civil Engineering (IALCCE 2016). (2016) 1146-1153.

[15] P. Zastrow, F. Molina-Moreno, T. García-Segura, J.V. Martí, V. Yepes. Life cycle assessment of cost-optimized buttress earth-retaining walls: a parametric study, Journal of Cleaner Production. 140 (2017) 1037-1048.

[16] T. García-Segura, V. Yepes, J. Alcalá, Computer-support tool to optimize bridges automatically, International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements. 5(2) (2017) 171-178.

[17] V. Yepes, J.V. Martí, T. García-Segura, Design optimization of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement by a hybrid evolutionary algorithm, International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements. 5(2) (2017) 179-189.

[18] C. Torres-Machi, A. Chamorro, E. Pellicer, V. Yepes, C. Videla, Sustainable pavement management: Integrating economic, technical, and environmental aspects in decision making, Transportation Research Record. 2523 (2015) 56-63.

[19] V Yepes, C. Torres-Machí, A. Chamorro, E. Pellicer, Optimal pavement maintenance programs based on a hybrid greedy randomized adaptive search procedure algorithm, Journal of Civil Engineering and Management. 22(4) (2016) 540-550.

[20] C. Torres-Machí, Optimización heurística multiobjetivo para la gestión de activos de infraestructuras de transporte terrestre, Tesis doctoral, Universitat Politècnica de València y Pontificia Universidad Católica de Chile, 2015.

[21] A.M. Rodriguez-Calderita, Optimización heurística de forjados de losa postesa, Tesis doctoral, Universitat Politècnica de València, 2015.

[22] A.J. Luz, Diseño óptimo de estribos abiertos de hormigón armado en puentes de carretera mediante optimización heurística, Tesis doctoral, Universitat Politècnica de València, 2016.

[23] F. Navarro-Ferrer, Modelos predictivos de las características prestacionales de hormigones fabricados en condiciones industriales, Tesis doctoral, Universitat Politècnica de València, 2016.

[24] T. García-Segura, Efficient design of post-tensioned concrete box-girder road bridges based on sustainable multi-objective criteria, Tesis doctoral, Universitat Politècnica de València, 2016.

3 diciembre, 2016
 
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Tesis doctoral: Efficient design of post-tensioned concrete box-girder road bridges based on sustainable multi-objective criteria

tatiana_jpg-1024x748Hoy 30 de septiembre de 2016 ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de Dª Tatiana García Segura denominada “Efficient design of post-tensioned concrete box-girder road bridges based on sustainable multi-objective criteria”, dirigida por Víctor Yepes Piqueras. La tesis recibió la calificación de “Sobresaliente Cum Laude” por unanimidad, con mención internacional. Presentamos a continuación un pequeñ0 resumen de la misma.

Resumen:

Los puentes, como parte importante de una infraestructura, se espera que reúnan todos los requisitos de una sociedad moderna. Tradicionalmente, el objetivo principal en el diseño de puentes ha sido lograr el menor coste mientras se garantiza la eficiencia estructural. Sin embargo, la preocupación por construir un futuro más sostenible ha provocado un cambio en las prioridades de la sociedad. Estructuras más ecológicas y duraderas son cada vez más demandadas. Bajo estas premisas, los métodos de optimización heurística proporcionan una alternativa eficaz a los diseños estructurales basados en la experiencia. La aparición de nuevos materiales, diseños estructurales y criterios sostenibles motivan la necesidad de crear una metodología para el diseño automático y preciso de un puente real de hormigón postesado que considere todos estos aspectos. Por primera vez, esta tesis estudia el diseño eficiente de puentes de hormigón postesado con sección en cajón desde un punto de vista sostenible. Esta investigación integra criterios ambientales, de seguridad estructural y durabilidad en el diseño óptimo del puente. La metodología propuesta proporciona múltiples soluciones que apenas encarecen el coste y mejoran la seguridad y durabilidad. Al mismo tiempo, se cuantifica el enfoque sostenible en términos económicos, y se evalúa el efecto que tienen dichos criterios en el valor óptimo de las variables.

2016-09-30-19_21_29En este contexto, se formula una optimización multiobjetivo que proporciona soluciones eficientes y de compromiso entre los criterios económicos, ecológicos y sociales. Un programa de optimización del diseño selecciona la mejor combinación de geometría, tipo de hormigón, armadura y postesado que cumpla con los objetivos seleccionados. Se ha escogido como caso de estudio un puente continuo en cajón de tres vanos situado en la costa. Este método proporciona un mayor conocimiento sobre esta tipología de puentes desde un punto de vista sostenible. Se ha estudiado el ciclo de vida a través de la evaluación del deterioro estructural del puente debido al ataque por cloruros. Se examina el impacto económico, ambiental y social que produce el mantenimiento necesario para extender la vida útil del puente. Por lo tanto, los objetivos propuestos para un diseño eficiente han sido trasladados desde la etapa inicial hasta la consideración del ciclo de vida.

Para solucionar el problema del elevado tiempo de cálculo debido a la optimización multiobjetivo y el análisis por elementos finitos, se han integrado redes neuronales en la metodología propuesta. Las redes neuronales son entrenadas para predecir la respuesta estructural a partir de las variables de diseño, sin la necesidad de analizar el puente. El problema de optimización multiobjetivo se traduce en un conjunto de soluciones de compromiso que representan objetivos contrapuestos. La selección final de las soluciones preferidas se simplifica mediante una técnica de toma de decisiones. Una técnica estructurada convierte los juicios basados en comparaciones por pares de elementos con un grado de incertidumbre en valores numéricos que garantizan la consistencia de dichos juicios. Esta tesis proporciona una guía que extiende y mejora las recomendaciones sobre el diseño de estructuras de hormigón dentro del contexto de desarrollo sostenible. El uso de la metodología propuesta lleva a diseños con menor coste y emisiones del ciclo de vida, comparado con diseños que siguen metodologías generales. Los resultados demuestran que mediante una correcta elección del valor de las variables se puede mejorar la seguridad y durabilidad del puente con un pequeño incremento del coste. Además, esta metodología es aplicable a cualquier tipo de estructura y material.

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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14 octubre, 2015
 
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Aplicación a la docencia de posgrado en ingeniería: la optimización de distintas tipologías de muros

Gráfica_Fundacion_4Resumen:

Este artículo trata sobre la formación universitaria en ingeniería de proyectos en un curso de postgrado dentro del Máster en Ingeniería del Hormigón de la UPV, centrado en el diseño automatizado de estructuras de hormigón optimizando el coste de ejecución material. El curso considera la mayoría de los algoritmos heurísticos básicos aplicándolos al diseño práctico de estructuras reales, tales como muros, pórticos y marcos de pasos inferiores de carreteras, pórticos de edificación, bóvedas, pilas, estribos y tableros de puentes. Se presentan dos tipos distintos de muros de hormigón armado in situ usados en la construcción de carreteras. Se aplica el algoritmo recocido simulado (SA), en primer lugar a un muro ménsula de 10,00 metros de altura, y en segundo lugar a un muro nervado de la misma altura. El primer modelo consta de 20 variables que definen la geometría estructural así como las características del hormigón y los armados. El segundo modelo necesita 32 variables para su definición. Los parámetros son los mismos para los dos casos. Finalmente, se concluye que la optimización heurística es una buena herramienta para diseñar muros y comparar las distintas tipologías de proyecto, reduciendo los costes.

Palabras clave:

Educación posgrado; Diseño estructural; Optimización; Algoritmos heurísticos; Estructuras de hormigón; Muros.

Referencia:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2015). An engineering postgraduate course on heuristic design of different types of retaining walls. 19 th International Congress on Project Management and Engineering, 15-17 July, Granada (Spain).

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19 julio, 2015
 
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Antecedentes y motivación del proyecto de investigación BRIDLIFE

BCH001La sostenibilidad constituye un enfoque que ha dado un giro radical a la forma de afrontar nuestra existencia. El calentamiento global debido a las emisiones de gases de efecto invernadero y las tensiones sociales derivadas de la presión demográfica y del reparto desequilibrado de la riqueza son, entre otros, los grandes retos que debe afrontar nuestra generación. La concentración de CO2, alcanzó un máximo sin precedentes en 2013, con el mayor incremento anual en 30 años (World Meteorological Organization, 2014), por lo que la economía baja en carbono se perfila como una línea estratégica de gran importancia. Las actividades humanas son las principales responsables de este problema, provocando un desarrollo alejado de satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las necesidades de las generaciones futuras, que constituye el núcleo del paradigma de “desarrollo sostenible” (Brundtland, 1987).

La construcción juega un papel fundamental en el desarrollo de la sociedad. Influye fuertemente en la actividad económica, el crecimiento y en el empleo. Sin embargo, es una actividad que impacta significativamente en el medio ambiente (Marí, 2007), presenta efectos irreversibles y puede comprometer el presente y futuro de la sociedad. Este sector consume hasta un 60% de las materias primas extraídas (Vital Signs, 2005), generando su transformación sobre el 50% de todas las emisiones de CO2. En Europa, el 30% de los residuos proceden de la construcción y la demolición; consumiendo la industria y la construcción un 42% de la energía total de (Pacheco-Torgal y Jalali, 2011). Son datos que muestran la brecha de mejora posible en esta industria para acercarse a la sostenibilidad. No basta con construir de forma económica y eficiente, sino que debe ser socialmente aceptable, debe ahorrar recursos naturales no renovables y respetar el medio ambiente a largo plazo. Un paso en este sentido son herramientas como BREEAM, CASBEE, DGNB o LEED que certifican la sostenibilidad de las edificaciones usando parámetros objetivos. (más…)

15 enero, 2015
 
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Universidad Politécnica de Valencia