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Optimización multiobjetivo de pasarelas atendiendo a criterios de sostenibilidad y confort del usuario

Acaban de publicarnos un artículo en el International Journal of Environmental Research and Public Health, revista indexada en el JCR. Se trata de la optimización multiobjetivo de pasarelas atendiendo al coste, las emisiones de CO₂ y la aceleración vertical causada por el paso humano. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Se trata de una colaboración con la universidad Passo Fundo, de Brasil.

La tendencia hacia estructuras más sostenibles se está convirtiendo en una demanda creciente, y los ingenieros pueden aplicar técnicas de optimización para mejorar el proceso de diseño y dimensionamiento. Esto permitirá encontrar soluciones que reduzcan los costos y los impactos ambientales y sociales. En el caso de las pasarelas peatonales, es esencial garantizar el bienestar de los usuarios, además de cumplir con los estándares de seguridad, especialmente en lo que se refiere a las vibraciones humanas. Con este objetivo en mente, se llevó a cabo una optimización multiobjetivo de un puente peatonal de acero y hormigón. Se buscó minimizar el costo, las emisiones de dióxido de carbono y la aceleración vertical causada por la actividad humana. Se aplicó la técnica de Búsqueda de Armonía Multiobjetivo (MOHS) para obtener soluciones no dominadas y crear un Frente de Pareto. Se analizaron dos escenarios con diferentes emisiones unitarias obtenidas de una evaluación de su ciclo de vida en la literatura. Los resultados demuestran que, aumentando el costo de la estructura en un 15%, la aceleración vertical disminuye de 2,5 a 1,0 m/s². Para ambos escenarios, la relación óptima entre la altura del alma y la luz total se encuentra entre Le/20 y Le/16. La altura del alma, la resistencia del hormigón y el espesor de la losa son las variables de diseño que tienen el mayor impacto en la aceleración vertical. Las soluciones Pareto-óptimas mostraron una sensibilidad considerable a los parámetros variados en cada escenario, resultando en un cambio en el consumo de hormigón y en las dimensiones de la viga de acero soldado. Esto destaca la importancia de realizar un análisis de sensibilidad en los problemas de optimización.

Abstract:

The demand for more sustainable structures has been shown as a growing tendency. Engineers can use optimization techniques to aid in designing and sizing, achieving solutions that minimize cost and environmental and social impacts. In pedestrian bridges, which are subjected to human-induced vibrations, it is also important to ensure the users’ comfort, besides the security verifications. In this context, this paper aims to perform a multi-objective optimization of a steel-concrete composite pedestrian bridge, minimizing cost, carbon dioxide emissions, and vertical acceleration caused by human walking. For this, the Multi-Objective Harmony Search (MOHS) was applied to obtain non-dominated solutions and compose a Pareto Front. Two scenarios were considered with different unit emissions obtained from a life cycle assessment in the literature. Results show that by increasing 15% the structure cost, the vertical acceleration is reduced from 2.5 to 1.0 m/s2. For both scenarios, the optimal ratio for the web height and total span (Le) lies between Le/20 and Le/16. The web height, concrete strength, and slab thickness were the design variables with more influence on the vertical acceleration value. The Pareto-optimal solutions were considerably sensitive to the parameters varied in each scenario, changing concrete consumption and dimensions of the welded steel I-beam, evidencing the importance of carrying out a sensitivity analysis in optimization problems.

Keywords:

Multi-objective optimization; pedestrian bridge; sustainability; harmony search; carbon emissions

Reference:

TRES JUNIOR, F.L.; YEPES, V.; MEDEIROS, G.F.; KRIPKA, M. (2023). Multi-objective Optimization Applied to the Design of Sustainable Pedestrian Bridges. International Journal of Environmental Research and Public Health, 20(4), 3190. DOI:10.3390/ijerph20043190

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Desarrollo regional sostenible de la construcción basada en la teoría de la entropía

Acaban de publicarnos un artículo en Sustainability, revista indexada en el segundo cuartil del JCR. Se trata de aplicar la teoría de la entropía para evaluar el desarrollo sostenible de la construcción en una región determinada, en este caso, en China. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La humanidad se enfrenta actualmente al problema cada vez más urgente de la contaminación del medio ambiente. Para gestionar de forma rigurosa el medioambiente, los distintos gobiernos nacionales deberían basarse en bases científicas prácticas para ajustar y formular políticas y medidas legales basadas en el análisis de los datos existentes. En este trabajo se realiza un análisis basado en la teoría de la entropía de la innovación para evaluar el impacto de ocho provincias chinas, incluyendo los impactos ambientales, los económicos y los sociales. Los resultados muestran que los impactos en China deberían crecer desde 2021 hasta 2044 aproximadamente. Después de 2045, se estabilizarían, habiendo un crecimiento negativo en un corto período. La evaluación global del ciclo de vida (ECV) y la evaluación del impacto social (EIS) siguen siendo positivas. No habrá crecimiento negativo en los datos agregados y las emisiones serán nulas o negativas antes de 2108. Los datos finales de la investigación se presentan en forma de emisiones anuales, que proporcionan una base teórica para que el gobierno formule normativas y planes medioambientales a medio y largo plazo.

Abstract:

Human beings are now facing the increasingly urgent problem of global ecological environment pollution. To verify the scientific nature of environmental governance by governments of various countries, researchers need to provide a scientific basis and practical support for governments to adjust and formulate new policies and regulatory measures at any time through data analysis. This paper applies visual literature, aggregate analysis, engineering data programming, advanced mathematical science algorithms, and innovation entropy theory, and through this study, obtains sustainable impact data from eight Chinese provinces in the 21st century, including environmental, economic, and social impacts. The results show that China’s sustainable data should grow from 2021 to about 2044. After 2045, it will be stable, and there will be negative growth in a short period. The overall life cycle assessment (LCA) and social impact assessment (SIA) remain positive. There will be no negative growth in aggregate data and zero or negative emissions before 2108. The final research data are accurately presented in the form of annual emissions, which provide a scientific and theoretical basis for the government to formulate medium- and long-term ecological regulations and plans.

Keywords:

life cycle cost (LCC); life cycle assessment; social impact assessment; environment; bridge; carbon emissions

Reference:

ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Research on Sustainable Development of the Regional Construction Industry Based on Entropy Theory. Sustainability, 14(24): 16645. DOI:10.3390/su142416645

Como el artículo está publicado en abierto, os lo podéis descargar aquí mismo:

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Diseño óptimo sostenible de muros de contrafuertes

Nos acaban de publicar en la revista de Elsevier del primer decil, Journal of Cleaner Production, un artículo donde se estudia el diseño de los muros de contrafuertes optimizados para reducir sus emisiones de CO2. Este artículo forma parte de nuestra línea de investigación BRIDLIFE en la que se pretenden optimizar estructuras atendiendo no sólo a su coste, sino al impacto ambiental que generan a lo largo de su ciclo de vida.

Abstract:

This paper shows the differences between the design of a reinforced concrete structure considering two objectives to minimize; economic cost and CO2 emissions. Both objectives depend on the amount of two high carbon-intensive materials: cement in the concrete and steel; therefore, these objectives are related. As the balance between steel and cement per m3 of concrete depends on several factors, such as the type of structure, this study focuses on buttressed earth-retaining walls. Another factor that determines the balance between steel and concrete is the height of the wall. Thus, the methodology considers a parametric study for optimal designs of buttressed earth-retaining walls, where one of the parameters is the wall height. One of the objectives is to show the variation in cost when CO2 is minimized, respectful of minimizing the economic cost. The findings show that wall elements under bending-compressive strains (i.e., the stem of the buttressed retaining wall) perform differently depending on the target function. On the one hand, the study reveals an upward trend of steel per unit volume of concrete in emission-optimized earth-retaining buttressed walls, compared to the cost-optimized. On the other hand, it is checked that, unlike the cost-optimized walls, emission-optimized walls opt for a higher concrete class than the minimum class available. These findings indicate that emission-optimized walls penalize not only concrete volume, but also the cement content to the extent that a higher concrete class outperforms in reduced emissions. Additionally, the paper outlines how and to what extent the design of this typology varies for the two analyzed objectives in terms of geometry and amount of materials. Some relevant differences influencing the geometry of design strategies are found.

Keywords:

Carbon emission; CO2; earth-retaining wall; reinforced concrete; Harmony search; Threshold accepting

Reference:

MOLINA-MORENO, F.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2017). Carbon embodied optimization for buttressed earth-retaining walls: implications for low-carbon conceptual designs. Journal of Cleaner Production, 164:872-884.

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