Optimización mediante metamodelos en la ingeniería estructural

Acaban de publicarnos un artículo en Structures, revista indexada en el JCR. Se trata de la evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en un ambiente costero. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación HYDELIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La optimización asistida por metamodelos es una alternativa valiosa para gestionar los procedimientos de optimización de diseño estructural, que suelen ser bastante costosos y, a veces, incluso prohibitivos. Este estudio ofrece una revisión actualizada de la literatura sobre la optimización asistida por metamodelos en el campo de la ingeniería estructural, analizando 111 publicaciones y 169 casos de estudio. Para ofrecer recomendaciones prácticas sobre cómo realizar esta optimización, se analizan ocho variables categóricas y se detectan relaciones subyacentes entre ellas mediante el análisis de correspondencia simple y múltiple. Sorprendentemente, hay menos documentos publicados sobre el tema de lo que se esperaba. La mayoría se centra en mejorar o desarrollar estrategias de metamodelización mediante casos de estudio simples (benchmarks) para validar las metodologías propuestas. La originalidad y el valor de este estudio radican en las conclusiones obtenidas a partir del análisis estadístico, que sirven como guía práctica para incorporar estrategias de metamodelización en futuros proyectos relacionados con la optimización del diseño estructural.

Como el artículo está publicado en abierto, lo podéis descargar en el siguiente enlace: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423004782

Abstract

Metamodel-assisted optimization is a valuable alternative to handle structural design optimization procedures, which are usually quite expensive and sometimes even prohibitive. This paper presents an up-to-date literature review on metamodel-assisted structural design optimization (MASDO) in the structural engineering field. The period analyzed is from 2000 to the present, involving 111 publications and 169 case studies. In order to provide practical recommendations on best practices to perform MASDO, eight categorical variables are analyzed, and underlying relationships between them are detected by applying simple and multiple correspondence analysis. Surprisingly, there are fewer published papers on the subject than expected. Most focus on developing or improving metamodeling strategies, using simple (benchmark) case studies to validate the proposed methodologies. Consequently, the originality and value of this study lie in the conclusions obtained from the statistical analysis, which serve as a practical guide for incorporating metamodeling strategies in future projects related to structural design optimization.

Keywords

State-of-the-art; Structural design optimization; Metamodel-assisted optimization; Surrogate-based optimization; Structural engineering

Reference

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Metamodel-assisted design optimization in the field of structural engineering: a literature review. Structures, 52:609-631. DOI:10.1016/j.istruc.2023.04.006

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Repercusión en prensa de nuestra investigación en optimización de aerogeneradores

Es de agradecer al área de comunicación de la Universitat Politècnica de València, y en especial, a Luis Zurano, su labor en la difusión del trabajo de investigación realizado en nuestra universidad.

En este caso, se ha hecho eco de uno de nuestros trabajos relacionados con la optimización de la cimentación de aerogeneradores mediante metamodelos tipo kriging. Os paso la noticia, tal y como ha salido en la web de nuestra universidad, así como en otros medios de prensa.

También ha aparecido en otros medios de comunicación, como los que siguen:

https://www.europapress.es/comunitat-valenciana/noticia-investigadores-upv-ofrecen-disenos-mas-sostenibles-revolucionar-aerogeneradores-20230312112050.html

https://valenciaplaza.com/investigadores-ofrecen-disenos-sostenibles-revolucionar-aerogeneradores?amp=1

https://www.lavanguardia.com/local/valencia/20230312/8819071/investigadores-upv-ofrecen-disenos-mas-sostenibles-revolucionar-aerogeneradores.html

https://cadenaser.com/comunitat-valenciana/2023/03/12/un-estudio-de-la-upv-revoluciona-el-diseno-de-los-aerogeneradores-radio-valencia/

https://noticiasdelaciencia.com/art/46265/hacia-una-revolucion-en-el-diseno-de-los-aerogeneradores

https://nationworldnews.com/upv-researchers-offer-more-sustainable-designs-for-revolutionary-wind-turbines/

https://techxplore.com/news/2023-03-revolutionize-turbine.html

https://www.tekniikkatalous.fi/uutiset/tutkijoiden-uusi-tekniikka-voi-mullistaa-tuulivoimalan-suunnittelun-parantaa-energiatehokkuutta-rakentamisvaiheessa/6b54c3cc-e9ec-4c7c-9677-8e480c5d41c4

Un estudio revoluciona el diseño de los aerogeneradores

UPV Study Revolutionizes Wind Turbine Design

También tenéis un corte de la noticia emitida por Radio Nacional de España:

Y en este otro corte, podéis ver la noticia en la SER:

Diseño revolucionario

Un estudio de la Universitat Politècnica de València revoluciona el diseño de los aerogeneradores

Un estudio realizado por investigadores de la Universitat Politècnica de València (UPV), pertenecientes al Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH), en colaboración con la Universidad Tecnológica Chalmers de Goteborg (Suecia), promete revolucionar el diseño estructural de los aerogeneradores. Su trabajo ofrece soluciones entre un 8 y un 15 % más sostenibles que los diseños tradicionales de estas infraestructuras,

Este estudio presenta un método innovador y eficiente para optimizar el diseño de cimentaciones de aerogeneradores, mejorando así la eficiencia energética en su construcción. Los resultados obtenidos en el estudio, publicados en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization, demuestran su aplicabilidad en proyectos grandes y complejos y su potencial para ser utilizado en otras estructuras civiles.

“Nuestro método permite diseñar estructuras de manera más sostenible y facilitar su construcción, a través de un software que puede analizar diferentes condiciones y optimizar así el producto final. Utiliza metamodelos, como Kriging, para mejorar la eficiencia y reducir el costo computacional del proceso de optimización del diseño”, explica Víctor Yepes, investigador del Instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València.

En su estudio, el equipo de la Universitat Politècnica de València y la Universidad Tecnológica Chalmers aplicaron el método a un ejemplo real de cimientos para turbinas eólicas en Suecia. “Comprobamos que con nuestra propuesta se pueden obtener mejores diseños, analizando solo veinte en lugar de mil diseños diferentes. Además, constatamos que estos diseños son más sostenibles que los diseños convencionales”, destaca Víctor Yepes, investigador del Instituto ICITECH de la Universitat Politècnica de València.

Entre las ventajas de este “revolucionario método” destaca también una significativa reducción de los costes – tanto económicos como computacionales— y tiempos a la hora de diseñar las cimentaciones de los aerogeneradores.

Otras aplicaciones

Aunque este estudio se centra en el diseño de cimientos para turbinas eólicas, el método propuesto por los investigadores españoles y suecos puede ser aplicado a otras estructuras empleadas en la ingeniería civil o en la edificación. Además, la técnica de metamodelado de Kriging es ampliamente utilizada en la industria y puede ser aplicada a una amplia variedad de proyectos de diseño estructural.

“Nuestro trabajo puede ser de gran utilidad para la optimización de otras estructuras de ingeniería civil como puentes o edificios. Además, el método propuesto podría ser aplicado en otros campos como la optimización de procesos de fabricación o el desarrollo de nuevos materiales. En definitiva, se trata de una novedosa técnica con un gran potencial para afrontar y resolver una amplia variedad de problemas de diseño de ingeniería”, concluye Víctor Yepes.

El desarrollo de este método se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Referencia

MATHERN, A.; PENADÉS-PLÀ, V.; ARMESTO BARROS, J.; YEPES, V. (2022). Practical metamodel-assisted multi-objective design optimization for improved sustainability and buildability of wind turbine foundations. Structural and Multidisciplinary Optimization, 65:46. DOI:10.1007/s00158-021-03154-0

https://link.springer.com/article/10.1007/s00158-021-03154-0

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

El artículo más citado de nuestro grupo de investigación en la Web of Science: Optimización de muros de hormigón

En 2008, publiqué un artículo en la revista Engineering Structures, la cual está indexada en el primer cuartil del JCR. El artículo, titulado “A parametric study of optimum earth-retaining walls by simulated annealing”, fue uno de los primeros que publicamos en nuestro grupo de investigación sobre optimización de estructuras. Desde entonces, ha seguido siendo muy citado por la comunidad científica, con un total de 112 citas hasta la fecha y una media de 7 citas por año. Estas cifras son notables dado que la optimización estructural es un campo de especialización pequeño en comparación con otros ámbitos del conocimiento. Además, en numerosas ocasiones, son los artículos de revisión del estado del arte los que más se citan. No es este el caso, que es un artículo de investigación. Por ese motivo, me gustaría compartir el contenido del artículo y proporcionar la referencia para aquellos interesados en echar un vistazo.

Este artículo se centra en la optimización económica de los muros de contención de tierras construidos con hormigón armado, que se utilizan comúnmente en la construcción de carreteras. El método propuesto para optimizar los muros es el algoritmo de recocido simulado. El problema se formula con 20 variables de diseño, que incluyen cuatro variables geométricas relacionadas con el espesor del alzado y la zapata, así como la longitud de la punta y el talón en la cimentación; cuatro tipos de materiales; y 12 variables para la disposición de las armaduras. El estudio evalúa la importancia relativa de factores como el coeficiente de fricción de la base, el ángulo de fricción muro-relleno y la limitación de las deflexiones del bordillo.

Además, el documento presenta un estudio paramétrico de muros comunes de 4 a 10 metros de altura, bajo diferentes condiciones portantes y rellenos. Se calculan expresiones medias para el coste total, el volumen de hormigón, el espesor del bordillo y la zapata, y la longitud de la zapata y el talón, que pueden ser útiles para el diseño práctico de muros. El estudio también establece un límite superior de 50 kg/m³ de armadura en el bordillo y 60 kg/m³ para todo el muro.

Lo más interesante de este estudio es que permite extraer fórmulas de predimensionamiento óptimo. Estas fórmulas las podéis ver en el artículo, pero también en el siguiente enlace: https://victoryepes.blogs.upv.es/2015/02/28/%c2%bfcomo-predimensionar-un-muro-sin-calculadora/

Podéis pedir el artículo en el siguiente enlace: https://www.researchgate.net/publication/222227130_A_parametric_study_of_optimum_earth-retaining_walls_by_simulated_annealing

Abstract:

This paper examines the economic optimization of reinforced concrete earth-retaining walls used in road construction. The simulated annealing algorithm is the proposed method to optimize walls. The formulation of the problem includes 20 design variables: four geometrical ones dealing with the thickness of the kerb and the footing, as well as the toe and the heel lengths; four material types; and 12 variables for the reinforcement set-up. The study estimates the relative importance of factors such as the base friction coefficient, the wall-fill friction angle and the limitation of kerb deflections. Finally, the paper presents a parametric study of commonly used walls from 4 to 10 m in height for different fills and bearing conditions. Average expressions are calculated for the total cost, the volume of concrete, the thickness of the kerb and the footing, the lengths of the footing and the heel, which may be useful for the practical design of walls. An upper bound of 50 kg/m³ of reinforcement in the kerb and 60 kg/m³ for the overall wall is reported.

Keywords:

Structural design; Economic optimization; Heuristics; Concrete structures

Reference:

YEPES, V.; ALCALÁ, J.; PEREA, C.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2008). A Parametric Study of Optimum Earth Retaining Walls by Simulated Annealing. Engineering Structures, 30(3): 821-830. DOI:10.1016/j.engstruct.2007.05.023

¿Quién lidera la investigación científica española en ingeniería civil?

El Grupo DIH, (Grupo para la Difusión del Índice h) cuyo objetivo es la difusión del índice h, ha publicado una clasificación de investigadores científicos que residen en España y se basa en dicho índice. El ranking se elabora a partir de la base de datos de publicaciones científicas ISI Web of Knowledge y establece una clasificación específica para cada una de las diez áreas de conocimiento consideradas: agricultura, biología, ciencias de los materiales, ciencias de la salud, ciencias de la tierra, física, informática, ingeniería, matemáticas y química.

De acuerdo con la metodología utilizada, Fh se define como la relación entre el índice h del investigador y el promedio de los índices de otros autores que figuran en el ranking de su área. En el caso de que el autor aparezca en varias áreas, Fhm se calculará como la media de estos valores.

Aunque es posible que existan algunas críticas basadas en el índice h, este permite una evaluación objetiva de la carrera investigadora, si bien no es un indicador tan adecuado para investigadores jóvenes. Si deseáis ampliar detalles sobre este tema, podéis consultar un artículo que escribí previamente.

A continuación se presenta la tabla actualizada a febrero de 2023 en el área de ingeniería civil. Es un honor ocupar la tercera posición, detrás de dos figuras destacadas en nuestro país: Íñigo Losada y Enrique Castillo. Sin embargo, es importante mencionar que hay otros ingenieros de caminos que lideran en investigación en distintas áreas. Por ejemplo, Eugenio Oñate, del CIMNE, encabeza la lista en el área de aplicaciones interdisciplinarias de matemáticas; Jaime Gómez, de nuestra universidad, se encuentra en los primeros puestos en el área de recursos hídricos; Antonio Aguado, de la UPC, destaca en el área de tecnología de la construcción; y Alfredo García, también de nuestra universidad, sobresale en ciencia y tecnología del transporte. Seguramente, hay muchos más investigadores destacados que se han quedado fuera de esta lista. Les recomiendo explorar y conocer a todos ellos.

Visibilidad para el grupo de investigación CONSTRUCTION OPTIMIZATION – ICITECH UPV

En mi blog personal, suelo destacar los logros personales de los miembros de nuestro grupo de investigación, compuesto por profesores e investigadores jóvenes de varios países, cuya sede es el ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón) de la Universitat Politècnica de València. Sin embargo, estos logros a menudo pasan desapercibidos debido a la falta de una vía de comunicación propia.

Desde 2006, nuestro grupo ha centrado sus investigaciones en la optimización multiobjetivo y la toma de decisiones multicriterio para garantizar la sostenibilidad económica, social y medioambiental a lo largo del ciclo de vida de los puentes y las infraestructuras. Hasta la fecha, hemos publicado unos 150 artículos científicos indexados en el JCR y presentado numerosas comunicaciones en congresos nacionales e internacionales. Ya se han leído 15 tesis doctorales y, en este momento, otras 10 se encuentran en marcha.

No obstante, consideramos crucial aumentar la visibilidad de nuestro trabajo para acercarlo a la sociedad. De esta manera, esperamos que nuestra investigación contribuya a la construcción de infraestructuras más sostenibles y eficientes en el futuro.

Como podréis observar, hemos diseñado un logotipo para identificar nuestro trabajo. El diseño sigue el estilo institucional de los grupos de investigación de nuestra universidad. En la parte inferior, en rojo destacado, aparece el acrónimo de la UPV, mientras que encima figuran dos palabras que consideramos fundamentales: “CONSTRUCTION” y “OPTIMIZATION”. Las hemos escrito en inglés porque queremos comunicar nuestro trabajo a nivel internacional.

La primera de ellas señala que nuestro objeto de investigación no se limita a las estructuras de hormigón o a los puentes, sino que abarca un amplio espectro de infraestructuras, como edificios, carreteras, ferrocarriles, puertos y presas, entre otros. Además, la palabra “optimización” resume la base y los inicios de nuestro grupo, ya que buscamos mejorar la sostenibilidad integral de las infraestructuras a lo largo de su ciclo de vida.

Sin lugar a dudas, lo más complicado para nosotros ha sido crear una silueta que capture, a modo de paraguas, el núcleo central de nuestro mensaje. Hemos creado un arco que simboliza un puente y también tiene la intención de representar una cúpula de un edificio, un tramo de carretera o una sección de una presa bóveda. En resumen, hemos buscado un diseño que sea fácil de comprender y que simbolice el trabajo que llevamos a cabo en nuestro grupo.

Pues bien, podéis encontrar toda la información que vaya generando el grupo en las siguientes redes de comunicación. Os invito a que las sigáis para estar al tanto de lo que está ocurriendo en la punta de lanza del conocimiento en el ámbito de la ingeniería de la construcción.

Twitter: https://twitter.com/ConstOptUPV

Facebook: https://www.facebook.com/groups/231497652653826

LinkedIn: https://www.linkedin.com/groups/12794089/

Diseño regenerativo y métodos modernos de construcción: La crisis del paradigma de la sostenibilidad

Figura 1. Edificio Media-TIC. Enric Ruiz Geli. El Poblenou, Barcelona. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Edificio_Media-TIC._Enric_Ruiz_Geli.jpg

La construcción y gestión de infraestructuras constituyen un sector económico clave, tanto por sí mismo como por su papel fundamental en el soporte de la actividad social. Sin embargo, la creciente conciencia de la necesidad de construir de manera sostenible ha impulsado la puesta en marcha de nuevas tecnologías y materiales. Entre las tecnologías clave para hacer más sostenibles las infraestructuras se encuentran el uso de materiales de construcción ecológicos y sostenibles, la adopción de energías renovables, como paneles solares y aerogeneradores, la iluminación LED, los sistemas urbanos de drenaje sostenible, los materiales de aislamiento térmico y los sistemas de sensorización y automatización. El empleo de estos materiales y tecnologías puede ayudar a reducir la huella de carbono de las infraestructuras, disminuir el consumo de energía y de recursos no renovables, generar ahorros económicos y mejorar la calidad del agua. Además, estas opciones pueden favorecer la eficiencia de la infraestructura y la calidad de vida de los usuarios. Pero es claramente insuficiente.

El paradigma de la sostenibilidad está en crisis. Ya no se considera suficiente la reducción de los impactos ambientales asociados a la actividad humana, sino que también deben contemplarse los aspectos económicos y sociales. Alcanzar este equilibrio resulta complejo, pues a veces la sostenibilidad ambiental no es compatible con la social ni con la económica. No obstante, el reto es claro: preservar los recursos naturales, el patrimonio, la cultura, el equilibrio social, los ecosistemas y muchos otros aspectos para las generaciones futuras.

Por tanto, el paradigma actual se cuestiona cuando el antiguo canon de “reciclar, reducir y reutilizar” ya no es suficiente y debe ser reemplazado por otro que consiste en “restaurar, renovar y reponer”. Este enfoque representa un nuevo paradigma para mejorar el entorno construido: el Diseño Regenerativo, también conocido como “regenerative design” en inglés. En la actualidad, reducir los impactos ambientales resulta insuficiente ante la aceleración del cambio, por lo que es necesario adoptar un enfoque de diseño regenerativo que genere impactos positivos a lo largo de todo el ciclo de vida de una infraestructura.

El diseño regenerativo implica la restauración de los ecosistemas y fomenta el desarrollo de los ecosistemas naturales y humanos. Para lograrlo, se requiere un cambio de pensamiento y de diseño, con un enfoque holístico e integrado. Además, este nuevo paradigma exige incorporar un alto nivel de conocimientos científicos que no se encuentran en el diseño convencional. No podemos ignorar la herencia de etapas anteriores, pero los proyectistas y los encargados de tomar decisiones necesitan ampliar sus horizontes. El nuevo desafío requiere un profundo conocimiento de diversas áreas y, en algunos casos, la colaboración de varios especialistas, así como herramientas apropiadas, nuevos métodos de investigación, pautas y estrategias de diseño.

Figura 2. Ciudad del Puerto de Malmö. Autor: Jorge Franganillo
https://www.flickr.com/photos/franganillo/43494905904

Los Métodos Modernos de Construcción (Modern Methods of Construction, en inglés) se refieren a un enfoque que emplea tecnologías y procesos innovadores para mejorar la eficiencia y la calidad de la construcción. Incluyen la prefabricación de componentes en una fábrica, el uso de materiales más ligeros y resistentes y la adopción de técnicas constructivas más rápidas y precisas. Estos nuevos procedimientos se relacionan con el diseño regenerativo, pues ambos buscan promover prácticas más sostenibles y responsables con el medio ambiente. Este enfoque se basa en la comprensión de que los edificios y la infraestructura pueden tener un impacto positivo al proporcionar servicios ecosistémicos como la purificación del aire y del agua, la protección contra inundaciones y la mitigación del cambio climático.

Por tanto, estamos ante un cambio de paradigma, ya que los métodos modernos de construcción pueden ser herramientas valiosas para el diseño regenerativo. Al emplear materiales más sostenibles, reducir los residuos de construcción y disminuir la huella de carbono, estos nuevos métodos pueden contribuir a crear edificios y comunidades más sostenibles y eficientes. Además, pueden contribuir a la construcción de infraestructuras que promuevan la regeneración del medio ambiente y la salud de la comunidad.

La investigación y la innovación en este ámbito están siendo punteras en España, tanto en las universidades como en los institutos tecnológicos y en las empresas. En el Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) de la Universitat Politècnica de València, el grupo de investigación que dirijo se enfoca en promover la sostenibilidad de las infraestructuras en todas las etapas de su ciclo de vida, desde el diseño hasta la demolición, mediante técnicas de optimización heurística multiobjetivo, toma de decisiones y análisis del ciclo de vida social y ambiental.

Figura 3. Puente de la Gran Belt, Dinamarca. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GreatBeltBridgeTRJ1-edit.JPG

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Evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en ambiente costero

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Marine Science and Engineering, revista indexada en el JCR. Se trata de la evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en un ambiente costero. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación HYDELIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

En los últimos tiempos, se han llevado a cabo reparaciones y mantenimiento en estructuras para prevenir el colapso súbito y los consiguientes daños económicos y humanos. La presencia de iones cloruro es un factor natural que contribuye a la degradación de las estructuras en entornos marinos, reduciendo su vida útil. Por lo tanto, es esencial supervisar con regularidad el estado de los edificios costeros de hormigón para repararlos a tiempo. El objetivo de este estudio es evaluar el método de densidad espectral de potencia (PSD) como un método no destructivo de detección de daños para monitorizar la ubicación y la cantidad de daños causados por los iones cloruro durante la vida útil de una estructura. Se utilizan diferentes enfoques, como la evaluación del ciclo de vida (LCA) y su coste (LCCA).

En este sentido, en primer lugar, se calculó el daño por corrosión causado por los cloruros en función de la distancia de la zona al agua de mar para determinar la vida útil de cada parte de un puente de hormigón en ambiente marino mediante el método convencional. A continuación, se estimó el deterioro del hormigón, basándose en la corrosión de las barras de refuerzo cada año. El método PSD permitió controlar la pérdida anual de sección transversal de la armadura, las variaciones en las características dinámicas (como la rigidez y la masa) y la vida útil de la estructura del puente mediante ecuaciones de sensibilidad y un algoritmo de mínimos cuadrados lineales. Por último, se compararon los costes del ciclo de vida (CCV) y los de mantenimiento y reparación del método PSD con el método convencional, en función de la ubicación y la calidad de los daños, en cada año de vida del puente hasta el final de su vida útil. Los resultados mostraron que esta estrategia fue muy eficaz para reducir y optimizar los costes de mantenimiento y reparación derivados de la corrosión por cloruros.

Figura 1. Dimensiones de un vano del puente de Arosa

Abstract:

Repairs and maintenance have recently been necessary to prevent sudden structural collapses, which can cause human and financial damage. Chloride ions are natural factors in marine environments that degrade structures and reduce lifespan. Therefore, it is essential to regularly monitor the condition of concrete coastal buildings to ensure timely repairs. This study aims to evaluate the performance of the power spectral density (PSD) method as a non-destructive damage-detection technique for monitoring the location and extent of damage caused by chloride ions throughout a structure’s lifespan. The study employs different approaches, including life-cycle assessment (LCA) and life-cycle cost assessment (LCCA). The conventional method calculates chloride corrosion damage based on the distance from seawater to determine the service life of each part of a coastal concrete bridge. The next stage forecasts the bridge’s concrete deterioration based on the rebar corrosion each year. The PSD method monitors the annual loss of reinforcement cross-sectional area, dynamic characteristics such as stiffness and mass changes, and the bridge structure’s lifespan using sensitivity equations and the linear-least-squares algorithm. Finally, the LCCA and maintenance and repair costs of the PSD method are compared with those of the conventional method, based on the location and severity of damage, for each year of the bridge’s life until the end of its service life. The results show that this strategy effectively reduces and optimizes the maintenance and repair costs caused by chloride corrosion.

Keywords:

Life-cycle cost assessment (LCCA); non-destructive damage-detection technique; chloride ion attack; steel corrosion; power spectral density method (PSD); concrete coastal bridge.

Reference:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Life-cycle cost assessment using the power spectral density function in a coastal concrete bridge. Journal of Marine Science and Engineering, 11(2):433. DOI:10.3390/jmse11020433

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Ponencia invitada en CEVISAMA: Nuevas técnicas para reducir costes y mejorar la sostenibilidad de los elementos constructivos

Me complace anunciar que he sido invitado a impartir una ponencia en CEVISAMA, titulada “Nuevas técnicas para reducir costos y mejorar la sostenibilidad de los elementos constructivos”, que tendrá lugar el jueves 2 de marzo de 2023 a las 10:00 h. Esta ponencia se llevará a cabo en el Foro Cevisama Build, en el Nivel 3 del Pabellón 1 de Feria Valencia, que acogerá a numerosos profesionales y empresas del sector de la construcción sostenible y de la bioconstrucción. El programa completo del evento se puede encontrar en el siguiente enlace: https://cevisama.feriavalencia.com/actividades/programa-completo/.

Durante mi intervención, repasaré los principales logros que ha alcanzado nuestro grupo de investigación en los últimos 15 años y destacaré las posibilidades que tienen las empresas para incorporar las nuevas tecnologías y reducir los costos de producción, a la vez que mejoran la sostenibilidad de sus productos, especialmente en el sector de la construcción.

Cevisama 2023 reunirá a marcas insignia del sector cerámico, del baño y de la piedra natural, y contará con novedades como “Cevisama Tech”, un área exclusiva que mostrará las últimas soluciones en innovación y tecnología aplicadas a la industria cerámica.

En su última edición, celebrada en 2020, Cevisama reunió a más de 800 firmas y marcas y recibió la visita de 90.000 profesionales, de los cuales más de 21.000 fueron visitantes extranjeros.

Densidad espectral de potencia en la detección de daños por ataque de cloruros en un puente en ambiente marino

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Structural Engineering and Mechanics, indexada en el JCR. En este caso, se ha analizado el rendimiento del método de la densidad espectral de potencia para detectar daños causados por el ataque de cloruros en un puente de hormigón ubicado en un ambiente marino. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación HYDELIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El deterioro causado por la penetración de cloruros y la carbonatación desempeña un papel importante en una estructura de hormigón en un entorno marino. La corrosión por cloruros en algunas estructuras ubicadas en ambientes costeros puede ser peligrosa en caso de un colapso repentino. Por lo tanto, como novedad, esta investigación estudia la capacidad de un método no destructivo de detección de daños denominado Densidad Espectral de Potencia (PSD) para diagnosticar daños causados únicamente por iones cloruro en estructuras de hormigón. Además, se investigó la precisión de este método para estimar la cantidad de daños anuales causados por el cloruro en diversas zonas y posiciones expuestas al agua de mar. Para ello, se modeló y analizó numéricamente el puente de Arosa, en España, que conecta la isla con el continente por el mar. Como primer paso, se calculó la posición de puente de cada elemento, así como el porcentaje de corrosión por cloruros en las armaduras. A continuación, se predijeron la existencia, la localización y el momento de los daños en toda la parte de hormigón del puente en función de la cantidad de corrosión de las armaduras cada año. El método PSD se utilizó para controlar la pérdida anual del área de la sección transversal de las armaduras, los cambios en las características dinámicas, como la rigidez y la masa, y el desgaste a lo largo de cada año de la vida útil de la estructura del puente mediante ecuaciones de sensibilidad y el algoritmo de mínimos cuadrados lineales. Este estudio demostró que la utilización de diferentes enfoques del método PSD basados en la corrosión por cloruros de las armaduras y la asunción de errores del 10% en el análisis del software pueden ayudar a predecir la ubicación y la cantidad casi exacta de las zonas dañadas a lo largo del tiempo.

Se puede solicitar una copia del artículo a los autores a través del siguiente enlace: https://www.researchgate.net/publication/367283962_Hadizadeh-Bazaz_et_al_2023

Abstract:

The deterioration caused by chloride penetration and carbonation is significant in concrete structures in marine environments. Chloride corrosion in some marine concrete structures is invisible but can be dangerous, leading to sudden collapse. Therefore, as a novelty, this research investigates the ability of a non-destructive damage detection method, the Power Spectral Density (PSD), to diagnose damage caused solely by chloride ions in concrete structures. Furthermore, the accuracy of this method in estimating the annual damage caused by chloride at various parts and positions exposed to seawater was investigated. For this purpose, the RC Arosa bridge in Spain, which connects the island to the mainland via seawater, was numerically modeled and analyzed. As the first step, each element’s bridge position was calculated, along with the chloride corrosion percentage in the reinforcements. The next step predicted the existence, location, and timing of damage to the entire concrete part of the bridge based on the amount of rebar corrosion each year. The PSD method was used to monitor the annual loss of reinforcement cross-sectional area and changes in dynamic characteristics, such as stiffness and mass, throughout the bridge structure’s life using sensitivity equations and the linear least-squares algorithm. This study showed that using different approaches to the PSD method based on rebar chloride corrosion and assuming 10% errors in software analysis can help predict the location and almost exact amount of damage zones over time.

Keywords:

Damage identification; Concrete bridge; Chloride attack; Steel corrosion; Power Spectral Density method (PSD); Non-destructive technique.

Reference:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Power Spectral Density method performance in detecting damages by chloride attack on coastal RC bridge. Structural Engineering and Mechanics, 85(2):197-206. DOI:10.12989/sem.2023.85.2.197

Tesis doctoral: Life cycle optimization analysis of bridge sustainable development

Hoy, 13 de enero de 2023, ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Zhi Wu Zhou titulada “Life cycle optimization analysis of bridge sustainable development“, dirigida por Víctor Yepes Piqueras y Julián Alcalá González. La tesis recibió la máxima calificación de sobresaliente “cum laude”. Presentamos a continuación un breve resumen de la misma.

Resumen:

En el núcleo de la industria mundial de la construcción radica el uso excesivo de materiales, especialmente de combustibles fósiles. En esta línea de investigación, muchos investigadores y diseñadores han reducido significativamente la proporción de materiales y han minimizado la cantidad destinada al diseño en función de los criterios de investigación y las especificaciones de diseño. Teniendo en cuenta que las medidas anteriores pueden reducir los materiales de manera efectiva, es necesario investigar más a fondo algunas cuestiones: a) ¿En qué etapas del ciclo de vida de los materiales de construcción se consumen más?, b) ¿Cómo utilizar el método científico más adecuado para reducir el consumo de materiales en la fase de mayor uso?, c) ¿Cómo completar científicamente la evaluación de la optimización del consumo de materiales bajo la influencia de la superación de muchos eventos discretos y factores de influencia externos durante la etapa de diseño?, d) En la fase de construcción, ¿cómo optimizar al máximo el proceso de gestión del proyecto y lograr el mayor ahorro de material para garantizar la calidad, la seguridad y el coste?, e) ¿Cuánto material se puede ahorrar mediante la optimización del diseño y la gestión del proyecto?, f) ¿Cuál es el impacto final del sistema teórico de investigación y de los datos de análisis mencionados en el desarrollo sostenible de la industria de la construcción?
Al examinar publicaciones relevantes sobre el ciclo de vida completo de la industria de la construcción (Capítulo 2), la tesis encontró que las etapas de diseño y construcción son clave para reducir de manera efectiva el consumo de materiales. El objetivo principal de esta tesis es resolver los problemas de optimización propuestos. Mediante el establecimiento de un marco de modelo de investigación multidimensional y un modelo de optimización de gestión de proyectos sistemático, la tesis reduce el peso de varios componentes estructurales del puente estáticamente indeterminado y realiza la optimización ligera de la estructura del puente.

La tesis establece varios modelos teóricos básicos de innovación en el marco del modelo de investigación: el modelo de acoplamiento bibliométrico, el modelo matemático ComplexPlot, el modelo matemático integral multifactorial, el modelo de optimización de acoplamiento micro y macrodimensional de elementos finitos, y el modelo de evaluación de optimización de la gestión de proyectos dominó del método de la entropía. El sistema de investigación teórica supera la interferencia de la discreción del objeto de investigación, la complejidad y los factores de influencia inciertos y analiza la solidez de la evaluación y la mejora. El sistema de investigación teórica supera la interferencia de la discreción del objeto de investigación, la complejidad y los factores de influencia inciertos y consigue la solidez de la evaluación y la mejora. Asimismo, mejora ampliamente la resistencia del modelo a los factores naturales, humanos, accidentales e inciertos y el problema de la interferencia externa de las emergencias. Por último, el sistema formó un conjunto completo de modelos maduros de optimización conjunta para la prevención y el control, y alcanzó los objetivos y enfoques de la investigación.

El estudio de caso demuestra la solidez del sistema del modelo teórico establecido, que reduce el coste del ciclo de vida (LCC) = 1.081.248,68 yuanes chinos (CNY); evaluación del ciclo de vida (LCA) = 212.566,94 toneladas (t); evaluación del impacto social (SIA) = 17.783.505,12 horas de riesgo medio (Mrh) del análisis del estudio de impacto económico. Reducción del coste del ciclo de vida (LCC) = 739.612,19 yuanes chinos (CNY); Evaluación del ciclo de vida (LCA) = 278.455,12 toneladas (t); Evaluación del impacto social (SIA) = 23.262.239,52 horas de riesgo medio (Mrh) del análisis del impacto en el desarrollo sostenible. Las preguntas planteadas en esta tesis están correctamente formuladas desde la perspectiva teórica y están sólidamente respaldadas por los datos.

El valor de la investigación de esta tesis: a) llena el vacío de investigación en este campo. b) innova en una variedad de nuevos modelos teóricos de investigación. c) resuelve los problemas de discreción, incertidumbre e interferencia de factores externos en la optimización de la topología y la optimización de la gestión de proyectos. Las interferencias entre los factores externos de mutación y la sensibilidad a las emergencias se compensan y se corrigen. d) La investigación mejora la captura de datos discretos y la escasez de compensación del sistema de análisis de software Monte Carlo. En esta tesis, se aplican varios tipos de métodos avanzados de gestión de proyectos y esquemas de construcción avanzados en el caso de estudio, lo que proporciona un importante valor de referencia para la optimización de puentes estáticamente indeterminados del mismo tipo. Hay algunas dificultades para los lectores sin experiencia práctica para comprender y aplicar el modelo. El lector debe leer atentamente este caso, que también constituye una de las limitaciones de este trabajo.

La futura dirección de la investigación del autor es continuar investigando en profundidad el desarrollo sostenible de los puentes de gran tamaño, la optimización de la prevención de problemas, los materiales avanzados y la recuperación de energía renovable en el desarrollo sostenible de los puentes y otros campos.

Referencias:

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