Recientemente hemos publicado un artículo en el que hemos empleado un algoritmo evolutivo híbrido para optimizar el coste y 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. A continuación, os dejo el artículo completo.
Abstract:
This paper uses heuristic optimization to investigate the influence of steel fiber reinforcement in the design of precast prestressed concrete (PPC) road bridges with a double U-shaped cross-section. 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 relevant limit states. The proposed case study is a 30 m span with a deck width of 12 m. The problem involved 41 discrete design variables. The algorithm requires an initial calibration. In addition, the heuristic is run nine times to obtain statistical information on the results’ minimum, mean, and deviation. The evolution of the objective function during the optimization procedure is highlighted. The results show that heuristic optimization is an emerging option for the design of real prestressed structures. This paper provides useful knowledge that could provide a better understanding of steel fiber reinforcement in U-beam road bridges.
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.
Hoy 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 pequeño 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.
En 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.
MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Heuristic design of precast-prestressed concrete U-beam and post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridges.
Abstract: This paper proposes simulated annealing and threshold accepting procedures for the automatic design of two different bridge types. Both cases are prestressed concrete road bridge decks typically used in public road construction. Simulated annealing is first applied to a precast beam of 30-30 meters of longitudinal spans and 12.00 m of width. The beam has a double U-shape cross-section and a beam spacing of 6 m. This problem involves 59 discrete design variables for the geometry of the beam and the slab, concrete grade, reinforcing steel and prestressing steel. The simulated annealing method indicates savings of about 5% with respect to a traditional design. The second bridge case is a 20-36-20 m post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridge deck. This example needs 33 discrete variables to define the complete structure. The threshold accepting method is used for the optimization. Our findings indicate savings of about 7.5% with respect to the design based on experience. Finally, the results show that heuristic optimization provides other options to reduce the design costs of real prestressed bridge decks.
GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J. (2016). Computer-Support Tool for Automatically Optimize Bridges.
Abstract: In bridge design, many variables like material grades, cross-sectional dimensions, passive and pre-stressing steel need to be modeled to evaluate the structural performance. Efficiency gains are intended while satisfying the serviceability and ultimate limit states imposed by the structural code. In this paper, a computer-support tool is presented to analyze continuous post-tensioned concrete (PSC) box-girder road bridges, to minimize the cost, and to provide the optimum design variables. The program encompasses six modules to perform the optimization process, the finite-element analysis and the limit states verification. The methodology is defined and applied to a case study. A harmony search algorithm optimizes 32 variables that define a three-span PSC box-girder bridge located in a coastal region. However, the same procedure could be implemented to optimize any structure. This tool enables one to define the fixed parameters and the variables that are optimized by the heuristic algorithm. Moreover, the output provides useful rules to guide engineers in designing PSC box-girder road bridges.
YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2016). Design optimization of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement by a hybrid evolutionary algorithm.
Abstract: In this paper, the influence of steel fiber-reinforcement when designing precast-prestressed concrete 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.
En 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%.
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.
Referencia:
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2015). 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.
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%.
No resulta nada fácil realizar el mantenimiento de una red de carreteras durante un horizonte, digamos de 20 años, cuando los presupuestos son muy restrictivos. Las consecuencias son nefastas para la calidad del servicio prestado por dicha infraestructura. El problema deriva del hecho de tener que elegir la mejor opción de mantenimiento, en el momento adecuado, con un presupuesto mínimo, de forma que todo ello permita maximizar la condición de servicio de la infraestructura. ¡Un problema nada fácil!
Para solucionar este tipo de problemas hemos propuesto un algoritmo heurístico novedoso capaz de generar soluciones óptimas en casos tan complicados como el que se presenta.
Os dejo el resumen, las palabras clave y la referencia por si queréis citar el artículo.
Abstract. Insufficient investment in the public sector together with inefficient maintenance infrastructure programs lead to high economic costs in the long term. Thus, infrastructure managers need practical tools to maximize the Long-Term Effectiveness (LTE) of maintenance programs. This paper describes an optimization tool based on a hybrid Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP) considering Threshold Accepting (TA) with relaxed constraints. This tool facilitates the design of optimal maintenance programs subject to budgetary and technical restrictions, exploring the effect of different budgetary scenarios on the overall network condition. The optimization tool is applied to a case study demonstrating its efficiency to analyze real data. Optimized maintenance programs are shown to yield LTE 40% higher than the traditional programs based on a reactive strategy. To extend the results obtained in this case study, a set of simulated scenarios, based on the range of values found in the real example, are also optimized. This analysis concludes that this optimization algorithm enhances the allocation of maintenance funds over the one obtained under a traditional reactive strategy. The sensitivity analysis of a range of budgetary scenarios indicates that the funding level in the early years is a driving factor of the LTE of optimal maintenance programs.
Resumen–El artículo se ocupa de la optimización económica de los tableros de los pasos superiores de carreteras formados por una losa de hormigón ejecutada in situ y dos vigas artesa prefabricadas de hormigón pretensado autocompactable. Se comprueba la eficacia de las distintas metaheurísticas aplicadas en la optimización: “descent local search” (DLS), “simulated annealing” (SA), “threshold accepting” (TA), “genetic algoritms” (GA) y “memetic algorithms” (MA). Los cálculos de las tensiones y de sus envolventes, son programados en lenguaje fortran directamente por los autores. Los algoritmos de optimización heurística se aplican a un tablero de 35 m de luz y 12 m de ancho. Los parámetros que definen la forma de la sección de la viga se adaptan a los moldes de una instalación de prefabricados. El ejemplo que se analiza consta de 59 variables discretas. El módulo de la evaluación incluye los estados límite último y de servicio que se aplican comúnmente para estas estructuras: flexión, cortante, torsor, fisuración, flechas, etc. Los algoritmos SA y TA se han calibrado previamente a partir del DLS, y el MA a partir del GA y del SA. Cada heurística se procesa nueve veces, obteniéndose información estadística sobre el valor mínimo, el medio y las desviaciones. Se realiza un análisis del rendimiento de las distintas heurísticas, basado en un estudio de las soluciones Pareto-óptimas entre tiempo de ejecución y rendimiento. Los mejores resultados se obtienen para el SA y el TA, siendo el coste mínimo de 108008 €, correspondiente al SA. Finalmente, entre las principales conclusiones de este estudio, destaca que las soluciones y los tiempos de proceso computacional son tales, que estos métodos se pueden aplicar de un modo práctico a casos reales, y que el conocimiento derivado del uso de estos algoritmos permiten recomendar rangos de valores para emplearlos en el diseño optimizado de estas estructuras y en su aplicación para los predimensionados de las variables.
Palabras clave—Optimización, metaheurística, puentes, pasos superiores, diseño de estructuras.
Referencia: MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Aplicación de metaheurísticas en la optimización de pasos superiores de carreteras. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida, pp. 241-247. ISBN: 978-84-697-2150-6.
A veces la Naturaleza nos sorprende cada día más. ¿Es posible que el comportamiento de las hormigas nos ayude a optimizar estructuras complejas, como, por ejemplo, un puente? Pues vamos a ver que sí. Este artículo es una continuación de otros artículos en los que hablamos de la posibilidad de optimizar estructuras de hormigón. La optimización por colonia de hormigas (ant colony optimization) será una metaheurística que nos permitirá realizar este tipo de operaciones. A continuación vamos a contar los fundamentos básicos y en las referencias os dejo, incluso, algunos artículos donde hemos podido utilizar esta técnica de forma exitosa.
Colorni, Dorigo y Maniezzo (1991) sugirieron la idea de imitar el comportamiento de los insectos para encontrar soluciones a los problemas de optimización combinatoria. El principio de la metaheurística denominada “Ant System Optimization, ACO” se basa en el comportamiento colectivo de las hormigas en la búsqueda de alimentos para su subsistencia, capaces de encontrar el camino más corto entre una fuente de comida y su hormiguero.
Primero, las hormigas exploran el entorno de su hormiguero de forma aleatoria. Tan pronto como un individuo encuentra una fuente de comida, evalúa su cantidad y calidad y transporta un poco al hormiguero. Durante el regreso, la hormiga deja por el camino una señal odorífera, depositando una sustancia denominada feromona, para que las demás hormigas puedan seguirla. Después de un tiempo, el camino hacia el alimento se indicará por un rastro oloroso que crece con el número de hormigas que lo recorren y desaparece en caso contrario. El resultado final es la optimización del trabajo de todo el hormiguero en su búsqueda de comida.
En la Figura se muestra cómo las hormigas encuentran el camino más corto. En a) las hormigas deben decidir un camino; en b) se toma uno al azar; en c) dado que la velocidad de una hormiga se considera aproximadamente constante, las que llegan antes vuelven eligiendo el camino con mayor acumulación de feromona. En d), se circula por el camino más corto, desapareciendo por evaporación el rastro en el más largo.
Las hormigas y el camino más corto
La analogía con una metaheurística de optimización puede establecerse de la siguiente forma:
La búsqueda de alimento por las hormigas es equivalente a la exploración de soluciones factibles a un problema combinatorio.
La cantidad de alimento hallada en un lugar es similar al valor de la función objetivo.
El rastro de feromona es la memoria adaptativa del método.
Un esquema básico de la metaheurística sería el siguiente:
Iniciar un rastro de feromona.
Mientras no se encuentre un criterio de parada:
Para cada hormiga artificial, construir una nueva solución a partir del rastro actual y evaluarla.
Actualizar el rastro de feromona.
El componente más importante de un sistema de hormigas es la gestión de las huellas olfativas. En su versión estándar, los rastros se usan en relación con la función objetivo para construir nuevas soluciones. Una vez se ha construido, éstos se actualizan de la siguiente forma: primero todos los rastros se debilitan para simular la evaporación del feronoma; después aquellos que corresponden a los elementos que se han empleado para la construcción, se refuerzan teniendo en cuenta la calidad de la solución.
El siguiente vídeo puede ayudaros a comprender el comportamiento de las hormigas. Espero que os guste.
Referencias:
COLORNI, A.; DORIGO, M.; MANIEZZO, V. (1991). Distributed optimization by ant colonies, in VARELA, F.J.; BOURGINE, P. (eds.) Proceedings of the First European Conference on Artificial Life (ECAL-91). The MIT Press: Cambrige, MA, 134-142.
MARTÍNEZ, F.J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; ALCALÁ, J. (2011). Design of tall bridge piers by ant colony optimization. Engineering Structures, 33:2320-2329.
MARTÍNEZ, F.J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2010). Heuristic Optimization of RC Bridge Piers with Rectangular Hollow Sections. Computers & Structures, 88: 375-386. ISSN: 0045-7949. (link)
YEPES, V. (2003). Apuntes de optimización heurística en ingeniería. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2003.249. Valencia, 266 pp. Depósito legal: V-2720-2003.
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.
Esta es la versión post-print de autor. La publicación se encuentra en: http://hdl.handle.net/10251/46928, siendo el Copyright de Elsevier.
El artículo debe ser citado de la siguiente forma:
Martí, JV.; Yepes, V.; Gonzalez-Vidosa, F.; Luz, AJ. (2014). 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):145-154. doi:10.1016/j.rimni.2013.04.010.
Analogía entre la improvisación musical y la optimización en ingeniería. Fuente: http://www.hindawi.com/journals/jam/2012/147950/fig1/
El proceso de improvisación musical supone una organización coherente de los sonidos y los silencios que da los parámetros fundamentales de la música, que son la melodía, la armonía y el ritmo. La simulación del proceso de improvisación musical puede servir a los calculistas de estructuras como inspiración en el diseño de algoritmos que permitan optimizar, por ejemplo, un puente. En esta comparación, el conjunto de músicos se podría asimilar a las variables de decisión; el rango de afinación, al rango de valores; la armonía; la estética, a la función objetivo; la práctica, a la iteración y la experiencia, a la matriz de memoria. A este algoritmo heurístico se le denomina harmony search.
En 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.
