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Algunas conclusiones obtenidas del proyecto BRIDLIFE sobre puentes postesados en caj贸n

A punto de terminar el proyecto de investigaci贸n BRIDLIFE, a continuaci贸n se exponen algunas conclusiones de inter茅s fruto de dicho proyecto y de la tesis doctoral y publicaciones de la profesora Tatiana Garc铆a Segura. Son peque帽as “p铆ldoras” de conocimiento que pueden ser de inter茅s para proyectistas e investigadores relacionados con los puentes, el hormig贸n, la sostenibilidad y la optimizaci贸n. Son las siguientes:

  1. A pesar de la reducci贸n de durabilidad por carbonataci贸n y la menor captura de CO2, los cementos con adiciones resultan beneficiosos聽desde el punto de vista ambiental [1].
  2. Mientras el uso del hormig贸n reciclado como 谩rido afecta a las propiedades del hormig贸n y requiere en muchos casos un incremento en el contenido de cemento, la reutilizaci贸n del hormig贸n como material granular de relleno permite una completa carbonataci贸n del hormig贸n que reduce las emisiones de CO2 [1].
  3. Se puede mejorar la seguridad estructural de los puentes en caj贸n con un peque帽o incremento de coste siempre que se escojan las variables adecuadas [2]. Este incremento de coste no es constante para todos los niveles de seguridad. Se pueden establecer diferentes puntos, a partir de los cuales resulta m谩s caro mejorar la seguridad estructural [2].
  4. No se aconseja aumentar el espesor de la losa superior para mejorar la seguridad de los puentes en caj贸n, ya que ello conlleva un aumento de peso innecesario [2]. Sin embargo, el espesor de las alas en el arranque es un aspecto clave para mejorar la flexi贸n transversal [2].
  5. A pesar de que se ha considerado la inclinaci贸n del alma como variable de optimizaci贸n, su valor 贸ptimo apenas difiere para distintos valores de seguridad.聽 Esto se debe a que tanto el canto como el ancho de inclinaci贸n del alma aumentan en paralelo para mejorar la seguridad estructural [2].
  6. El uso de hormig贸n de alta resistencia en puentes no muestra ventajas econ贸micas a corto plazo, pues聽las restricciones de servicio y armadura m铆nima no permiten reducir el canto y la cantidad de armadura [2]. Sin embargo, el hormig贸n de alta resistencia retrasa el inicio de la corrosi贸n [3] y mejora el rendimiento estructural una vez se ha iniciado la corrosi贸n [4]. Si se dise帽an estructuras con hormigones de alta resistencia se consiguen mejores resultados durante el ciclo de vida que con dise帽os que tienen mayores recubrimientos, a pesar de tener el mismo inicio de corrosi贸n [4].
  7. Los dise帽os que tienen una mayor durabilidad tienen un mayor coste inicial pero un menor coste de ciclo de vida [4].
  8. Los resultados muestran que tanto la optimizaci贸n del coste como de las emisiones de CO2 reducen el consumo de material. Por tanto, la optimizaci贸n del coste es una buena estrategia para conseguir estructuras m谩s ecol贸gicas [2,5,6].
  9. Para gestionar el mantenimiento de las estructuras de forma sostenible se debe tener en cuenta tanto el coste y las emisiones de reparaci贸n, como el impacto que produce el desv铆o de tr谩fico sobre los usuarios de la v铆a [4].
  10. La optimizaci贸n del mantenimiento indica que no se debe optimizar cada superficie por separado, sino que se debe coordinar el mantenimiento de todas las superficies para reducir el coste y las emisiones que ocasiona el desv铆o del tr谩fico [4].

Referencias:

[1]聽聽聽聽聽聽聽聽聽 T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, J. Alcal谩, Life cycle greenhouse gas emissions of blended cement concrete including carbonation and durability, Int. J. Life Cycle Assess. 19 (2014) 3鈥12. doi:10.1007/s11367-013-0614-0.

[2]聽聽聽聽聽聽聽聽 T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, Multiobjective optimization of post-tensioned concrete box-girder road bridges considering cost, CO2 emissions, and safety, Eng. Struct. 125 (2016) 325鈥336. doi:10.1016/j.engstruct.2016.07.012.

[3]聽聽聽聽聽聽聽聽 T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, D.M. Frangopol, Multi-objective design of post-tensioned concrete road bridges using artificial neural networks, Struct. Multidiscip. Optim. 56 (2017) 139鈥150. doi:10.1007/s00158-017-1653-0.

[4]聽聽聽聽聽聽聽聽 T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, D.M. Frangopol, D.Y. Yang, Lifetime reliability-based optimization of post-tensioned box-girder bridges, Eng. Struct. 145 (2017) 381鈥391. doi:10.1016/j.engstruct.2017.05.013.

[5]聽聽聽聽聽聽聽聽 T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, J. Alcal谩, E. P茅rez-L贸pez, Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges, Eng. Struct. 92 (2015) 112鈥122. doi:10.1016/j.engstruct.2015.03.015.

[6]聽聽聽聽聽聽聽聽 J.V. Mart铆, T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy, J. Clean. Prod. 120 (2016) 231鈥240. doi:10.1016/j.jclepro.2016.02.024.

5 junio, 2017
 
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Resultados parciales del proyecto BRIDLIFE

ph_vigas-artesaEl objetivo del proyecto BRIDLIFE consiste en desarrollar una metodolog铆a que permita incorporar un an谩lisis del ciclo de vida de vida de puentes de hormig贸n pretensado definiendo un proceso de toma de decisiones que integre los aspectos sociales y medioambientales mediante t茅cnicas anal铆ticas de toma de decisiones multicriterio. Los resultados esperados pretenden detallar qu茅 tipolog铆as, actuaciones de conservaci贸n y alternativas de demolici贸n y reutilizaci贸n son adecuadas para minimizar los impactos, dentro de una pol铆tica de fuerte limitaci贸n presupuestaria que compromete seriamente las pol铆ticas de creaci贸n y conservaci贸n de las infraestructuras.

Este es un proyecto competitivo financiado por el Ministerio Espa帽ol de Econom铆a y Competitividad y fondos FEDER (proyecto de investigaci贸n BIA2014-56574-R), cuya duraci贸n abarca los a帽os 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 inter茅s.

Como antecedentes necesarios se indican algunos trabajos previos, fruto del proyecto HORSOST, precedente al actual. La optimizaci贸n de un puente de vigas artesa se abord贸 con algoritmos h铆bridos basados en el recocido simulado [1] y algoritmos mem茅ticos [2]; se utilizaron algoritmos de enjambres de luci茅rnagas para optimizar el coste y las emisiones de CO2 de vigas en I, incorporando la carbonataci贸n en el ciclo de vida [3]; asimismo se evalu贸 el ciclo de vida de hormigones con distintas adiciones incluyendo la carbonataci贸n y la durabilidad [4].

Las primeras aportaciones realizadas en el a帽o 2015, ya dentro del proyecto, fueron la optimizaci贸n de estribos abiertos mediante algoritmos h铆bridos de escalada estoc谩stica [5]; la optimizaci贸n del coste de puentes en vigas artesa con hormig贸n con fibras [6] y la optimizaci贸n de las emisiones de CO2 de pasarelas de hormig贸n pretensado y secci贸n en caj贸n [7]. Destaca tambi茅n el trabajo desarrollado, bas谩ndose en una aproximaci贸n cognitiva, de una metodolog铆a que permite la toma de decisiones tras la aplicaci贸n de t茅cnicas de optimizaci贸n multiobjetivo [8].

En el a帽o 2016 se empezaron a realizar aportaciones realizadas, fundamentalmente con la evaluaci贸n de los impactos sociales de las infraestructuras a lo largo del ciclo su ciclo de vida [9,10]. Se avanz贸 con la optimizaci贸n de la energ铆a embebida en puentes de vigas artesa [11] y en la optimizaci贸n multiobjetivo del coste, las emisiones de CO2 y la seguridad a lo largo del ciclo de vida de puentes caj贸n [12]. Se han comparado puentes losa postesados y puentes prefabricados 贸ptimos [13]. Otra aportaci贸n de inter茅s se realiz贸 con la colaboraci贸n del profesor Dan M. Frangopol, que realiz贸 una estancia en nuestro grupo de investigaci贸n. Se compar贸 el coste del ciclo de vida de puentes caj贸n usando una aproximaci贸n basada en la fiabilidad [14].

Durante el a帽o 2017, 煤ltimo del proyecto, existen trabajos ya publicados y otros en proceso de revisi贸n. Se describen brevemente los ya publicados. Se aplic贸 el an谩lisis de ciclo de vida completo atendiendo a todo tipo de impactos ambientales a muros de contrafuertes [15], introduciendo una metodolog铆a que se est谩 aplicando a estructuras m谩s complejas como los puentes. Se a introducido un metamodelo basado en redes neuronales para mejorar el rendimiento en el proceso de optimizaci贸n multiobjetivo de puentes en caj贸n [16]. Tambi茅n 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 optimizaci贸n del mantenimiento de pavimentos de carreteras desde los puntos de vista econ贸micos y medioambientales [18,19].

Cabe destacar, por 煤ltimo, que durante los a帽os 2015-2016 se han le铆do cinco tesis doctorales relacionadas, de forma directa o indirecta, con los objetivos desarrollados por el presente proyecto de investigaci贸n [20-24], existiendo otras cinco en estado avanzado de desarrollo.

Referencias:

[1] J.V. Mart铆, F. Gonz谩lez-Vidosa, F.; V. Yepes, J. Alcal谩, Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing, Engineering Structures. 48 (2013) 342-352.

[2] J.V. Mart铆, V. Yepes, F. Gonz谩lez-Vidosa, A. Luz, Dise帽o autom谩tico de tableros 贸ptimos de puentes de carretera de vigas artesa prefabricadas mediante algoritmos mem茅ticos h铆bridos, Revista Internacional de M茅todos Num茅ricos para C谩lculo y Dise帽o en Ingenier铆a. 30(3) (2014) 145-154.

[3] T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, J.V. Mart铆, J. Alcal谩, 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. Garc铆a-Segura, V. Yepes, J.V. Mart铆, J. Alcal谩, 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. Gonz谩lez-Vidosa, J.V. Mart铆, Dise帽o de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimizaci贸n h铆brida de escalada estoc谩stica, Informes de la Construcci贸n. 67(540) (2015) e114.

[6] J.V. Mart铆, V. Yepes, F. Gonz谩lez-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. Garc铆a-Segura, V. Yepes, J. Alcal谩, E. P茅rez-L贸pez, Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges, Engineering Structures. 92 (2015) 112-122.

[8] V. Yepes, T. Garc铆a-Segura, J.M. Moreno-Jim茅nez, 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. Mart铆, T. Garc铆a-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. Garc铆a-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. Mart铆, J. Alcal谩, T. Garc铆a-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. Garc铆a-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. Garc铆a-Segura, J.V. Mart铆, 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. Garc铆a-Segura, V. Yepes, J. Alcal谩, 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. Mart铆, T. Garc铆a-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-Mach铆, 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-Mach铆, Optimizaci贸n heur铆stica multiobjetivo para la gesti贸n de activos de infraestructuras de transporte terrestre, Tesis doctoral, Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia y Pontificia Universidad Cat贸lica de Chile, 2015.

[21] A.M. Rodriguez-Calderita, Optimizaci贸n heur铆stica de forjados de losa postesa, Tesis doctoral, Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia, 2015.

[22] A.J. Luz, Dise帽o 贸ptimo de estribos abiertos de hormig贸n armado en puentes de carretera mediante optimizaci贸n heur铆stica, Tesis doctoral, Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia, 2016.

[23] F. Navarro-Ferrer, Modelos predictivos de las caracter铆sticas prestacionales de hormigones fabricados en condiciones industriales, Tesis doctoral, Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia, 2016.

[24] T. Garc铆a-Segura, Efficient design of post-tensioned concrete box-girder road bridges based on sustainable multi-objective criteria, Tesis doctoral, Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia, 2016.

26 noviembre, 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 D陋 Tatiana Garc铆a Segura denominada “Efficient design of post-tensioned concrete box-girder road bridges based on sustainable multi-objective criteria”, dirigida por V铆ctor Yepes Piqueras. La tesis recibi贸 la calificaci贸n de “Sobresaliente Cum Laude” por unanimidad, con menci贸n internacional. Presentamos a continuaci贸n un peque帽o resumen de la misma.

Resumen:

Los puentes, como parte importante de una infraestructura, se espera que re煤nan todos los requisitos de una sociedad moderna. Tradicionalmente, el objetivo principal en el dise帽o de puentes ha sido lograr el menor coste mientras se garantiza la eficiencia estructural. Sin embargo, la preocupaci贸n por construir un futuro m谩s sostenible ha provocado un cambio en las prioridades de la sociedad. Estructuras m谩s ecol贸gicas y duraderas son cada vez m谩s demandadas. Bajo estas premisas, los m茅todos de optimizaci贸n heur铆stica proporcionan una alternativa eficaz a los dise帽os estructurales basados en la experiencia. La aparici贸n de nuevos materiales, dise帽os estructurales y criterios sostenibles motivan la necesidad de crear una metodolog铆a para el dise帽o autom谩tico y preciso de un puente real de hormig贸n postesado que considere todos estos aspectos. Por primera vez, esta tesis estudia el dise帽o eficiente de puentes de hormig贸n postesado con secci贸n en caj贸n desde un punto de vista sostenible. Esta investigaci贸n integra criterios ambientales, de seguridad estructural y durabilidad en el dise帽o 贸ptimo del puente. La metodolog铆a propuesta proporciona m煤ltiples soluciones que apenas encarecen el coste y mejoran la seguridad y durabilidad. Al mismo tiempo, se cuantifica el enfoque sostenible en t茅rminos econ贸micos, y se eval煤a el efecto que tienen dichos criterios en el valor 贸ptimo de las variables.

2016-09-30-19_21_29En este contexto, se formula una optimizaci贸n multiobjetivo que proporciona soluciones eficientes y de compromiso entre los criterios econ贸micos, ecol贸gicos y sociales. Un programa de optimizaci贸n del dise帽o selecciona la mejor combinaci贸n聽de geometr铆a, tipo de hormig贸n, armadura y postesado que cumpla con los objetivos seleccionados. Se ha escogido como caso de estudio un puente continuo en caj贸n de tres vanos situado en la costa. Este m茅todo proporciona un mayor conocimiento sobre esta tipolog铆a de puentes desde un punto de vista sostenible. Se ha estudiado el ciclo de vida a trav茅s de la evaluaci贸n del deterioro estructural del puente debido al ataque por cloruros. Se examina el impacto econ贸mico, ambiental y social que produce el mantenimiento necesario para extender la vida 煤til del puente. Por lo tanto, los objetivos propuestos para un dise帽o eficiente han sido trasladados desde la etapa inicial hasta la consideraci贸n del ciclo de vida.

Para solucionar el problema del elevado tiempo de c谩lculo debido a la optimizaci贸n multiobjetivo y el an谩lisis por elementos finitos, se han integrado redes neuronales en la metodolog铆a propuesta. Las redes neuronales son entrenadas para predecir la respuesta estructural a partir de las variables de dise帽o, sin la necesidad de analizar el puente. El problema de optimizaci贸n multiobjetivo se traduce en un conjunto de soluciones de compromiso que representan objetivos contrapuestos. La selecci贸n final de las soluciones preferidas se simplifica mediante una t茅cnica de toma de decisiones. Una t茅cnica estructurada convierte los juicios basados en comparaciones por pares de elementos con un grado de incertidumbre en valores num茅ricos que garantizan la consistencia de dichos juicios. Esta tesis proporciona una gu铆a que extiende y mejora las recomendaciones sobre el dise帽o de estructuras de hormig贸n dentro del contexto de desarrollo sostenible. El uso de la metodolog铆a propuesta lleva a dise帽os con menor coste y emisiones del ciclo de vida, comparado con dise帽os que siguen metodolog铆as generales. Los resultados demuestran que mediante una correcta elecci贸n del valor de las variables se puede mejorar la seguridad y durabilidad del puente con un peque帽o incremento del coste. Adem谩s, esta metodolog铆a es aplicable a cualquier tipo de estructura y material.

30 septiembre, 2016
 
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Dise帽o autom谩tico de tableros 贸ptimos de puentes de carretera de vigas artesa prefabricadas mediante algoritmos mem茅ticos h铆bridos

VigasArtesas_09Esta es la versi贸n post-print de autor. La publicaci贸n se encuentra en:聽http://hdl.handle.net/10251/46928, siendo el Copyright de Elsevier.

El art铆culo debe ser citado de la siguiente forma:

Mart铆, JV.; Yepes, V.; Gonzalez-Vidosa, F.; Luz, AJ. (2014).聽Dise帽o autom谩tico de tableros 贸ptimos de puentes de carretera de vigas artesa聽prefabricadas mediante algoritmos mem茅ticos h铆bridos. Revista Internacional de M茅todos聽Num茅ricos para C谩lculo y Dise帽o en Ingenier铆a. 30(3):145-154.聽doi:10.1016/j.rimni.2013.04.010.

Descargar (PDF, 856KB)

La improvisaci贸n musical como inspiraci贸n en el dise帽o sostenible de pasarelas peatonales

Analog铆a entre la improvisaci贸n musical y la optimizaci贸n en ingenier铆a. Fuente: http://www.hindawi.com/journals/jam/2012/147950/fig1/

El proceso de improvisaci贸n musical supone una organizaci贸n coherente de los sonidos y los silencios que da los par谩metros fundamentales de la m煤sica, que son la melod铆a, la armon铆a y el ritmo. La simulaci贸n del proceso de improvisaci贸n musical puede servir a los calculistas de estructuras como inspiraci贸n en el dise帽o de algoritmos que permitan optimizar, por ejemplo, un puente. En esta comparaci贸n, el conjunto de m煤sicos se podr铆a asimilar a las variables de decisi贸n; el rango de afinaci贸n, al rango de valores; la armon铆a; la est茅tica, a la funci贸n objetivo; la pr谩ctica, a la iteraci贸n y la experiencia, a la matriz de memoria. A este algoritmo heur铆stico se le denomina harmony search.

En este post os dejo el resumen, la referencia y el enlace a un art铆culo que acaban de publicarnos en la revista Engineering Structures donde aplicamos esta metodolog铆a en la optimizaci贸n sostenible del dise帽o de una pasarela peatonal formada por una viga caj贸n postesada. Esta investigaci贸n est谩 financiada dentro del Proyecto HORSOST (BIA2011-23602) financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovaci贸n.

Resumen: Este art铆culo聽tiene como objetivo el dise帽o sostenible de puentes viga peatonales de hormig贸n postesado de secci贸n en caj贸n. Para ello se utiliza un algoritmo heur铆stico h铆brido de b煤squeda arm贸nica (hybrid harmony search) con la aceptaci贸n por umbrales para encontrar la geometr铆a y los materiales necesarios para que la suma de los costos y聽la huella de carbono sea lo m谩s baja posible, cumpliendo con todas las restricciones de seguridad estructural y durabilidad. Para ajustar los par谩metros del algoritmo se utiliz贸 la metodolog铆a del dise帽o de experimentos. Se realiz贸 asimismo un estudio param茅trico en pasarelas de 90 a 130 m de luz. Los resultados encontrados indican que la optimizaci贸n con ambas funciones objetivo conducen a resultados similares en coste, si bien con soluciones diferentes. Los resultados sugieren que la reducci贸n en las emisiones de CO2 conllevan mayores cantos, m谩s pretensado y menores resistencias caracter铆sticas del hormig贸n empleado. 聽La metodolog铆a presentada supone una propuesta聽detallada de las reglas聽de predimensionamiento de este tipo de estructuras teniendo en cuenta un enfoque medioambiental.

Fig 1

Palabras clave: Dise帽o sostenible, hormig贸n postesado, viga en caj贸n, pasarelas, optimizaci贸n, b煤squeda arm贸nica.

Referencia:聽GARC脥A-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCAL脕, J.; P脡REZ-L脫PEZ, E. (2015). Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92:112-122. DOI:聽10.1016/j.engstruct.2015.03.015 (link)

18 julio, 2016
 
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La optimizaci贸n de estructuras

驴Cu谩ndo empieza realmente la optimizaci贸n de las estructuras? Dif铆cil pregunta a resolver. Si bien los aspectos b谩sicos relacionados con la聽optimizaci贸n matem谩tica聽se establecieron en los siglos XVIII y XIX con los trabajos de Lagrange o Euler, hay que esperar hasta los a帽os 40 del siglo XX para que聽Kantorovich聽y聽Dantzing聽desarrollaran definitivamente los principios de la programaci贸n matem谩tica. 聽Es a partir de la revoluci贸n inform谩tica de los a帽os 70 cuando estas herramientas empiezan a ser empleadas habitualmente en numerosas aplicaciones en las ciencias, las ingenier铆as y los negocios. Sin embargo, el progreso de t茅cnicas de optimizaci贸n que no requieran derivadas y que se generen a trav茅s de reglas heur铆sticas, ha supuesto una aut茅ntica revoluci贸n en el campo de la optimizaci贸n de los problemas reales. En efecto, los m茅todos aproximados pueden utilizarse all铆 donde el elevado n煤mero de variables en juego impiden la resoluci贸n en un tiempo de c谩lculo razonable de los problemas mediante la programaci贸n matem谩tica. A estos algoritmos de optimizaci贸n aproximada, cuando su uso no est谩 restringido a un solo tipo de problemas, la comunidad cient铆fica en el 谩mbito de la聽inteligencia artificial聽y la聽investigaci贸n operativa聽les ha dado el nombre de聽metaheur铆sticas. Este grupo incluye una amplia variedad de procedimientos inspirados en algunos fen贸menos naturales, tales como los聽algoritmos gen茅ticos, el聽recocido simulado聽o la聽optimizaci贸n por colonias de hormigas聽. Liao et al. [1] presentan una revisi贸n de la aplicaci贸n de los m茅todos heur铆sticos en el campo de la gesti贸n del proyecto y de la construcci贸n.

En relaci贸n con la optimizaci贸n de las estructuras, si bien la informaci贸n m谩s antigua se remonta al siglo XV con los trabajos de聽Leonardo da Vinci聽y de聽Galileo Galilei聽sobre la disminuci贸n del peso de estructuras de madera, hay que esperar al siglo XIX con Maxwell y Levy, y a comienzos del siglo XX con Mitchell, para ver las primeras aportaciones en el dise帽o de m铆nimo peso de estructuras de arcos y cerchas met谩licas. En 1994, Cohn y Dinovitzer [2] realizaron una amplia revisi贸n de los m茅todos empleados en la optimizaci贸n de estructuras, comprobando que la inmensa mayor铆a de las investigaciones llevadas a cabo hasta entonces se basaban en la programaci贸n matem谩tica y en problemas m谩s bien te贸ricos, con una preponderancia abrumadora de las estructuras met谩licas frente a las estructuras de hormig贸n. As铆, la aplicaci贸n de m茅todos heur铆sticos a la ingenier铆a estructural se remonta a los a帽os 70 y 80 [3-5], siendo la computaci贸n evolutiva, y en especial los algoritmos gen茅ticos, los m茅todos que m谩s se han utilizado. La revisi贸n de Kicinger et al. [6] proporciona un completo estado del arte de los m茅todos evolutivos aplicados al dise帽o estructural. Por otro lado, nuestro grupo de investigaci贸n, a trav茅s de su proyecto de investigaci贸n HORSOST, y m谩s recientemente con el proyecto BRIDLIFE, ha presentado聽trabajos recientes聽de dise帽o autom谩tico y optimizaci贸n de estructuras de hormig贸n armado con algoritmos gen茅ticos [7] y con otras t茅cnicas heur铆sticas [8-13], as铆 como trabajos de optimizaci贸n con hormig贸n pretensado [14,15] o de la optimizaci贸n de las infraestructuras lineales [16].

Os dejo a continuaci贸n un v铆deo tutorial donde se realiza una peque帽a introducci贸n al dise帽o optimizaci贸n estructural. Espero que os sea de inter茅s. Por cierto, si alguien se anima a hacer su tesis doctoral con nuestro grupo de investigaci贸n, ser谩 bien recibido.

Referencias:

[1]聽T.W. Liao, P.J. Egbelu, B.R. Sarker, S.S. Leu, Metaheuristics for project and construction management 鈥 A state-of-the-art review, Automation in Construction 20 (2011) 491-505.

[2]聽M.Z. Cohn, A.S. Dinovitzer, Application of structural optimization, ASCE Journal of Structural Engineering 120 (1994) 617-649.

[3]聽A. Hoeffler, U. Leysner, J. Weidermann, Optimization of the layout of trusses combining strategies based on Mitchel鈥檚 theorem and on biological principles of evolution, Proceedings of the Second Symposium on Structural Optimization (1973).

[4]聽M. Lawo, G. Thierauf, Optimal design for dynamic stochastic loading: a solution by random search, en: Optimization in structural design, University of Siegen, 1982, pp. 346-352.

[5]聽D.E. Goldberg, M.P. Samtani, Engineering optimization via genetic algorithms, Proceedings of the Ninth Conference on Electronic Computation ASCE (1986) 471-482.

[6]聽R. Kicinger, T. Arciszewski, K. De Jong, Evolutionary computation and structural design: A survey of the state-of-the-art, Computers & Structures 83 (2005) 1943-1978.

[7] F.J. Martinez, F. Gonz谩lez-Vidosa, A. Hospitaler, V. Yepes, Heuristic optimization of RC bridge piers with rectangular hollow sections, Computers & Structures 88 (2010) 375-386.

[8] I. Paya-Zaforteza, V. Yepes, F. Gonz谩lez-Vidosa, A. Hospitaler, On the Weibull cost estimation of building frames designed by simulated annealing, Meccanica 45 (2010) 693-704.

[9] V. Yepes, F. Gonz谩lez-Vidosa, J. Alcala, P. Villalba, CO2-Optimization design of reinforced concrete retaining walls based on a VNS-Threshold acceptance strategy, Journal of Computing in Civil Engineering ASCE 26 (2012) 378-386.

[10] C. Perea, V. Yepes, J. Alcala, A. Hospitaler, F. Gonz谩lez-Vidosa, A parametric study of optimum road frame bridges by threshold acceptance, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences 17 (2010) 427-437.

[11] A. Carbonell, V. Yepes, F. Gonz谩lez-Vidosa, B煤squeda exhaustiva por entornos aplicada al dise帽o econ贸mico de b贸vedas de hormig贸n armado, Revista Internacional de M茅todos Num茅ricos para C谩lculo y Dise帽o en Ingenier铆a 27 (2011) 227-235.

[12] A. Carbonell, F. Gonz谩lez-Vidosa, V. Yepes, Design of reinforced concrete road vaults by heuristic optimization, Advances in Engineering Software 42 (2011) 151-159.

[13] T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, J.V. Mart铆, J. Alcal谩,聽聽Optimization of concrete I-beams using a new hybrid glowworm swarm algorithm.聽Latin American Journal of Solids and Structures,聽11(7) (2014) 1190 鈥 1205.

[14] J.V. Mart铆, F. Gonz谩lez-Vidosa, Design of prestressed concrete precast pedestrian bridges by heuristic optimization, Advances in Engineering Software 41 (2010) 916-922.

[15] J.V. Mart铆, F. Gonz谩lez-Vidosa, V. Yepes, J. Alcal谩, Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing, Engineering Structures 48 (2013) 342-352.

[16] C. Torres-Mach铆, A. Chamorro, C. Videla, E. Pellicer, V. Yepes. An interative approach for the optimization of pavement maintenance mangement at the network level, The Scientific World Journal ID 524329 (2014).

[17] T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, J. Alcal谩, E. P茅rez-L贸pez. Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures 92 (2015) 112-122.

[18] J.V. Mart铆, V. Yepes, F. Gonz谩lez-Vidosa. Memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering ASCE聽141(2) (2015) 04014114.

[19] V. Yepes, J.V. Mart铆, T. Garc铆a-Segura.聽Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction49 (2015) 123-134.

[20] V. Yepes, T. Garc铆a-Segura, J.M. Moreno-Jim茅nez. A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4) (2015) 1024-1036.

[21] A. Luz, V. Yepes, F. Gonz谩lez-Vidosa, J.V. Mart铆. Dise帽o de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimizaci贸n h铆brida de escalada estoc谩stica. Informes de la Construcci贸n,聽67(540) (2015), e114.

[22] T. Garc铆a-Segura, V. Yepes, J. Alcal谩, E. P茅rez-L贸pez. Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92 (2015) 112-122.

[23] J.V. Mart铆, T. Garc铆a-Segura, V. Yepes.Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road聽bridges based on embodied energy. Journal of Cleaner Production, 120 (2016) 231-240.

 

14 julio, 2016
 
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ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnolog铆a del Hormig贸n)

2013-05-03 09.20.32

El Instituto ICITECH聽(Instituto de Ciencia y Tecnolog铆a del Hormig贸n)聽es un Centro de Investigaci贸n de la Universidad Polit茅cnica de Valencia creado en 2005, que agrupa a los profesores e investigadores cuya actividad investigadora se centra en el hormig贸n. Actualmente forman parte del instituto un total de 63 miembros, de los cuales 32 son profesores, 14 son investigadores contratados y el resto personal t茅cnico de apoyo a la investigaci贸n y de administraci贸n.

La finalidad del Instituto es la investigaci贸n del hormig贸n, tanto desde el punto de vista de los materiales constituyentes como el de las estructuras, en una amplia gama de aspectos como el proceso de fabricaci贸n, el comportamiento fisco-qu铆mico, mec谩nico o medioambiental, la sostenibilidad o el comportamiento, dise帽o, construcci贸n y mantenimiento de las estructuras.
Los objetivos son fomentar y promover la investigaci贸n de calidad a trav茅s de la realizaci贸n de proyectos de I+D, potenciar la investigaci贸n aplicada, la transferencia de tecnolog铆a y de conocimiento a las empresas afines y la participaci贸n de socios industriales.

Las instalaciones de ICITECH se ubican en un nuevo edificio que alberga una gran losa de carga de 500 m2 junto con un muro de reacci贸n horizontal en L de 14×6 m y 13 m de altura y con puntos de anclaje tanto en la losa como en el muro de 500 kN situados a un metro de distancia entre sus ejes. Adem谩s, dispone de una instalaci贸n oleohidr谩ulica constituida por 6 grupos motobomba que proporcionan 250 bares un caudal de 1560 litros/min y dos puentes gr煤a de 10 t cada uno que permite manejar elementos de hasta 20 t por toda la superficie de la nave. Este conjunto permite realizar ensayos a escala real de estructuras con muy diversas tipolog铆as de carga. Adem谩s de esta gran instalaci贸n, el edificio incluye laboratorios de qu铆mica y de materiales con un total de 175 m2, tres c谩maras h煤medas: una de 117 m3 y dos de 57 m3, central de aire comprimido, gas natural, di贸xido de carbono y aire seco.

 

Os paso a continuaci贸n un peque帽o dossier que hemos preparado para explicar lo que hace nuestro grupo de investigaci贸n sobre optimizaci贸n heur铆stica relacionado con temas de hormig贸n (proyecto HORSOST) y con el mantenimiento de activos e infraestructuras. Esta actividad se encuentra enmarcada dentro del ICITECH, del M谩ster Oficial en Ingenier铆a del Hormig贸n聽(acreditado con el sello EUR-ACE)聽 y del Programa de Doctorado en Ingenier铆a de la Construcci贸n de la Universidad Polit茅cnica de Valencia (verificado por ANECA).

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25 mayo, 2016
 
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El profesor Dan M. Frangopol de estancia con nosotros en la Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia

20160226_dan_frangopol_nsf_awardTenemos la gran suerte de contar con el profesor Dan M. Frangopol como profesor visitante en la Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia. Se trata de una estancia que solicit贸 nuestro grupo de investigaci贸n dentro del proyecto de investigaci贸n BRIDLIFE y que tambi茅n ha sido apoyada por nuestra universidad. Es una magn铆fica oportunidad de poder colaborar en l铆neas de investigaci贸n que confluyen en la optimizaci贸n multiobjetivo de estructuras a lo largo de su ciclo de vida. Ya estuvo nuestra investigadora Tatiana Garc铆a Segura cuatro meses de estancia en la Universidad de Lehigh.

El curriculum y la trayectoria acad茅mica del profesor Frangopol es impresionante. Es el primer titular de la C谩tedra Fazlur R. Khan de Ingenier铆a Estructural y Arquitectura de la Universidad de Lehigh, en Bethlehem, Pensilvania. Antes de incorporarse a esta universidad, fue profesor de ingenier铆a civil en la Universidad de Colorado en Boulder, donde ahora es profesor em茅rito. Sus l铆neas de investigaci贸n se centran en la aplicaci贸n de los conceptos probabil铆sticos y m茅todos de la ingenier铆a civil tales como la fiabilidad estructural, el dise帽o basado en la probabilidad y la optimizaci贸n de edificios, puentes y barcos navales, vigilancia de la salud estructural, mantenimiento y gesti贸n a lo largo de su ciclo de vida, gesti贸n de infraestructuras en condiciones de incertidumbre, evaluaci贸n basada en el riesgo, sostenibilidad y resistencia a los desastres.

De acuerdo con el ASCE (Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles)聽鈥Dan M. Frangopol is a preeminent authority in bridge safety and maintenance management, structural system reliability, and life-cycle civil engineering. His contributions have defined much of the practice around design specifications, management methods, and optimization approaches. From the maintenance of deteriorated structures and the development of system redundancy factors to assessing the performance of long-span structures, Dr. Frangopol鈥檚 research has not only saved time and money, but very likely also saved lives鈥 Dr. Frangopol is a renowned teacher and mentor to future engineers.鈥

A parte de cuatro doctorados honoris causa,聽el profesor Frangopol presenta un 铆ndice h de 54 y m谩s de 11900 citas (Google Scholar, 2015). Ha dirigido m谩s de 40 tesis doctorales y ha sido profesor visitante en numerosas universidades de todo el mundo. Lo mejor es que ve谩is su curr铆culum entero en su p谩gina web:聽http://www.lehigh.edu/~dmf206/

Os dejo a continuaci贸n los seminarios y conferencias que impartir谩 este mes en la Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia. Si ten茅is alguna duda, me pod茅is enviar un correo electr贸nico. La entrada es libre. Os ir茅 contando en sucesivos posts m谩s sobre nuestra actividad este mes con el profesor Frangopol.

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BRIDLIFE: Toma de decisiones en la gesti贸n del ciclo de vida de puentes pretensados de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos

BBA040Tras haber cerrado el proyecto de investigaci贸n anterior HORSOST, centrado en la optimizaci贸n de la sostenibilidad de hormigones no convencionales, en este post os paso el resumen del 煤ltimo proyecto de investigaci贸n BRIDLIFE: “Toma de decisiones en la gesti贸n del ciclo de vida de puentes pretensados de alta eficiencia social y medioambiental bajo presupuestos restrictivos”. Dicho proyecto, del cual soy Investigador Principal, se ha aprobado en la 煤ltima convocatoria de 2014 del Ministerio de Econom铆a y Competitividad “Proyectos de I+D+I RETOS INVESTIGACI脫N”. BRIDLIFE聽lleva asociado un contrato predoctoral. Se trata de un proyecto de tres a帽os, con 5 investigadores doctores de la Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia聽y 2 investigadores participantes de la Universidad de Colorado (Boulder), de Estados Unidos. Ir茅 contando detalles de este proyecto de investigaci贸n a lo largo de los pr贸ximos meses.

RESUMEN:

Las v铆as de comunicaci贸n terrestre, y en especial los puentes, son infraestructuras b谩sicas en el desarrollo econ贸mico, en el equilibrio territorial y en el bienestar social, cuya construcci贸n, dise帽o, conservaci贸n y desmantelamiento se ven afectados gravemente cuando los presupuestos son restrictivos. Una parte significativa de estos puentes son de hormig贸n pretensado. Su deterioro y su incidencia en la seguridad son objeto de gran alarma social. Si adem谩s el mantenimiento es ineficiente, la reparaci贸n conlleva costes mucho mayores. El objetivo principal del proyecto BRIDLIFE consiste en desarrollar una metodolog铆a que permita incorporar procesos anal铆ticos en la toma de decisiones en el ciclo completo de vida de puentes de hormig贸n pretensado, de forma que se contemplen las necesidades e intereses sociales y ambientales.

El dise帽o de los puentes se realiza de forma secuencial. Tras un predimensionamiento se comprueban todos los estados l铆mites, en un proceso iterativo cuyo resultado en t茅rminos de eficiencia econ贸mica dependen fuertemente de la experiencia previa del proyectista. Una alternativa es el dise帽o totalmente autom谩tico utilizando t茅cnicas de optimizaci贸n, capaces de incorporar m煤ltiples funciones objetivo y cuyo resultado es la generaci贸n de un conjunto de soluciones eficientes (frontera de Pareto). No obstante, esta metodolog铆a sigue presentando limitaciones que el proyecto BRIDLIFE pretende superar.

El empleo de t茅cnicas de an谩lisis del valor y toma de decisiones como MIVES ha supuesto un gran avance en la definici贸n de un indicador de sostenibilidad reflejado en el Anejo 13 de la actual instrucci贸n EHE. Sin embargo, este enfoque queda limitado a aspectos ambientales que tampoco consideran todo el ciclo completo de la vida de una estructura o el uso de hormigones de baja huella de carbono. Es una t茅cnica jer谩rquica que no contempla las interacciones entre los distintos factores. El aspecto m谩s relevante de BRIDLIFE consiste en incorporar un an谩lisis del ciclo de vida definiendo un proceso de toma de decisiones que integre los aspectos sociales y medioambientales mediante t茅cnicas anal铆ticas de toma de decisiones multicriterio tanto de forma previa a los procesos de optimizaci贸n multiobjetivo, como posteriormente en la priorizaci贸n de las soluciones del frente de Pareto. Un an谩lisis cr铆tico de las tareas necesarias para la consecuci贸n de este objetivo indica la necesidad de coordinar un grupo multidisciplinar amplio capaz de aglutinar no s贸lo distintas perspectivas t茅cnicas, sino tambi茅n distintos intereses, p煤blicos y privados. La actividad se pretende realizar aplicando tecnolog铆as de consenso en red.

Por otra parte, la fuerte limitaci贸n presupuestaria presente en momentos de crisis como la actual, compromete seriamente las pol铆ticas de creaci贸n y conservaci贸n de las infraestructuras. Los resultados esperados, tras un an谩lisis de sensibilidad de distintas pol铆ticas presupuestarias asociadas a un horizonte temporal, pretenden detallar qu茅 tipolog铆as, actuaciones concretas de conservaci贸n y alternativas de demolici贸n y reutilizaci贸n son adecuadas para minimizar los impactos ambientales y sociales. Ello requiere complementar los inventarios de las emisiones equivalentes de gases de efecto invernadero y consumos energ茅ticos para hormigones de baja huella de carbono, as铆 como identificar y valorar los factores de riesgo que afectan a la seguridad de las personas a lo largo de todo el ciclo de vida de los puentes.

PALABRAS CLAVE:

Toma de decisiones; puentes pretensados; hormig贸n; an谩lisis del ciclo de vida; sostenibilidad; optimizaci贸n multiobjetivo.

La UPV desarrolla un m茅todo que reduce costes y emisiones de CO2 a partir del comportamiento de las luci茅rnagas

NOTICIA UPV:聽http://www.upv.es/noticias-upv/noticia-7028-diseno-de-puent-es.html

V铆ctor Yepes, Jos茅 V. Mart铆 y Tatiana Garc铆a, investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnolog铆a del Hormig贸n de la Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia (ICITECH-UPV), han desarrollado una metodolog铆a que permite minimizar las emisiones de di贸xido de carbono (CO2) y los costes de los puentes de carretera de vigas de hormig贸n – en concreto, los de vigas de hormig贸n pretensado prefabricadas con secci贸n transversal en doble U – a partir de la simulaci贸n con ordenador, a la hora del dise帽o de la infraestructura, del comportamiento social de las luci茅rnagas

Las luci茅rnagas se comportan de forma inteligente como colectivo, y basan su comportamiento social en la luminosidad que emiten (luciferina), generando patrones v谩lidos cuando se trasladan al dise帽o de puentes de carretera de vigas de hormig贸n.

“Su caracter铆stica m谩s distintiva es el cortejo nocturno”, explica V铆ctor Yepes. “Los machos patrullan en busca de pareja con un vuelo caracter铆stico, mientras emiten secuencias de destellos de luz propios de cada especie a las que las hembras de la misma pueden responder con destellos espec铆ficos, dando lugar al apareamiento”.

“Cada luci茅rnaga selecciona”, prosigue Yepes, “utilizando un mecanismo probabil铆stico, un vecino que tiene un valor m谩s alto de luciferina que el suyo propio, y se mueve hacia 茅l. Trasladando este comportamiento al dise帽o de los puentes, se han conseguido ahorros significativos聽con respecto al dise帽o de puentes reales”.

Reducci贸n muy significativa tambi茅n de las emisiones de CO2

Adem谩s, los resultados indican que, de media, la reducci贸n de cada euro en coste permite ahorrar hasta 1,75 kg en emisiones de CO2, un dato de gran importancia cara a la reducci贸n de gases de efecto invernadero, responsables del calentamiento global del planeta.

Metodolog铆a desarrollada a partir de un algoritmo h铆brido de optimizaci贸n y el recocido simulado

En el desarrollo de la nueva metodolog铆a, los investigadores han utilizado un algoritmo h铆brido de optimizaci贸n por enjambre de luci茅rnagas (glow worm swarm optimization, GSO) y el recocido simulado (simulated anneling, SA), denominado SAGSO.

“En este algoritmo”, comenta Yepes, “la estructura del puente se define a partir de 40 variables, que incluyen los tipos de materiales y las armaduras de la viga y la losa. El algoritmo considera cada puente como una luci茅rnaga, de forma que un puente de menor coste o emisiones presenta un mayor valor de luciferina, es decir, resulta m谩s prometedor en la b煤squeda de mejores soluciones. Este principio permite optimizar al m谩ximo su dise帽o”

Eficacia probada en la simulaci贸n de dise帽o de un puente en la autov铆a del Mediterr谩neo

Para comprobar la eficacia de esta nueva metodolog铆a, los investigadores del ICITECH-UPV la aplicaron a la simulaci贸n de dise帽o de un puente real, el viaducto 1 del tramo Muro de Alcoy-Puerto de Albaida del proyecto de construcci贸n de la autov铆a del Mediterr谩neo.

“Aplicando nuestra metodolog铆a, el coste total del puente optimizado habr铆a sido un 50% m谩s barato, sin merma de calidad o seguridad”; concluye Yepes. Este trabajo se enmarca dentro del proyecto HORSOST, financiado por el Ministerio de Econom铆a y Competitividad.

M谩s informaci贸n

Os dejo la entrevista que nos hicieron al respecto en Radio Nacional de Espa帽a Comunidad Valenciana.

Agradecimientos: Los autores agradecen el aporte financiero realizado para este trabajo por parte del Ministerio de Ciencia e Innovaci贸n (Proyecto de Investigaci贸n BIA2011-23602).

24 diciembre, 2014
 
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