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Optimización de forjados de losa postesada utilizando criterios económicos y de sostenibilidad

ALCALÁ, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; RODRÍGUEZ-FACUNDI, A. (2014). Optimización de forjados de losa pretensada utilizando criterios económicos y de sostenibilidad. VI Congreso de ACHE, 3-5 de junio, Madrid. ISBN: 978-84-89670-80-8.

RESUMEN

En ese trabajo se muestran las características principales de los forjados de losa postesa obtenidos con técnica heurísticas de optimización estructural. Estos métodos de optimización permiten una definición completa de la estructura, pudiéndose encontrar diseños completos de forjados optimizados tanto con criterios de economía como de sostenibilidad. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran una clara tendencia a disponer cantos muy estrictos en los resultados óptimos. Aplicando criterios de sostenibilidad se tiende a hormigones de mayores resistencias que con criterios económicos. Finalmente se han realizado pruebas de sensibilidad a los precios, que muestran mucha independencia de los forjados óptimos frente a las variaciones de precios ensayadas.

PALABRAS CLAVE

Optimización, forjados postesados, sostenibilidad, simulated annealing, threshold accepting, old bachelor algorithm.

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Optimización del coste y las emisiones de CO2 de puentes de vigas artesa prefabricadas

En este trabajo se describe una metodología para minimizar las emisiones de CO₂ y los costes de puentes de carretera de vigas de hormigón pretensado prefabricadas con sección transversal en doble U. Para ello se ha utilizado un algoritmo híbrido de optimización por enjambre de luciérnagas (glowworm swarm optimization, GSO) y el recocido simulado (simulated anneling, SA), que se ha denominado SAGSO. La estructura se define por 40 variables, que determina la geometría, los tipos de materiales y las armaduras de la viga y de la losa. Se emplea hormigón de alta resistencia autocompactante en la fabricación de las vigas. Los resultados suponen para los ingenieros proyectistas una guía útil para el predimensionamiento de puentes prefabricados de este tipo. Además, los resultados indican que, de media, la reducción de 1 euro en coste permite ahorrar hasta 1,75 Kg en emisiones de CO₂. Además, el estudio paramétrico realizado muestra que las soluciones de menor coste presentan un resultado medioambiental satisfactorio, que difiere en muy poco respecto a las soluciones que provocan menores emisiones.

Resultados interesantes:

El coste C, en euros, y las emisiones de CO₂, en kg varían de forma parabólica con la luz (L) del vano, en metros:

C=48.088L²+613.99L+31139

kgCO₂=63.418L²+2392.3L+13328

Si se minimiza el coste, también se reducen las emisiones de CO₂, de forma que el ahorro en 1 euro equivale a ahorrar 1,75 kg de CO₂.
La esbeltez de los puentes de mínimo coste (L/18.08) y de mínimas emisiones (L/17,57) siempre son inferiores a L/17.
El espaciamiento entre las vigas se sitúa en torno a 5,85 m, oscilando entre 5,65 y 5,95 m.
Las estructuras de coste mínimo precisan 42,35 kg/m² de armadura pasiva, mientras que si se optimizan las emisiones, se necesitarían 37,04 kg/m².
Sorprende observar que, aunque parece que el hormigón de alta resistencia sería el adecuado para el prefabricado de las vigas, las estructuras óptimas se alejan de este supuesto. De hecho, el hormigón para el coste mínimo en las vigas prefabricadas oscila entre 40 y 50 MPa, alejado de los 100 MPa que permitía la optimización.
Por último, un análisis de sensibilidad de costes en los resultados optimizados indica que un aumento del 20% en los costes del acero haría que el coste total de la estructura aumentara un 10,27%, disminuyendo el volumen de acero empleado. Sin embargo, si sube un 20% el precio del hormigón, el coste total únicamente subiría un 3,41% y no variaría apenas el volumen consumido de hormigón.

Referencia:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2014). Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction, 49:123-134. DOI: 10.1016/j.autcon.2014.10.013 (link)

Optimización multiobjetivo para el estudio de la sostenibilidad del hormigón

By retocada por Yeza de la versión original de Alonsoquijano [Public domain], from Wikimedia Commons

El propósito de este artículo es presentar la optimización multiobjetivo como herramienta para el estudio de la sostenibilidad de los hormigones autocompactantes. Se toma como ejemplo una viga en doble T de hormigón, con 15 m de luz definida por 20 variables. Una variable recoge ocho posibles dosificaciones del hormigón. Cuatro hormigones convencionales CC y cuatro hormigones autocompactantes SCC representan cuatro clases resistentes. Se utiliza el algoritmo recocido simulado multiobjetivo «Multiobjective Simulated Annealing» (MOSA) para optimizar el coste, las emisiones de CO₂ y la durabilidad. Los resultados muestran la viabilidad económica de reducir las emisiones de CO₂ y de mejorar la durabilidad. Además, las soluciones de menor coste y emisiones anuales emplean hormigón autocompactante. Los resultados proporcionan al proyectista estructural criterios para elegir soluciones más sostenibles.

REFERENCIA

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; MARTÍ, J.V. (2014). Optimización multiobjetivo para el estudio de la sostenibilidad del hormigón autocompactante. VI Congreso de ACHE, 3-5 de junio, Madrid. ISBN: 978-84-89670-80-8.

PALABRAS CLAVE

Sostenibilidad, autocompactante, optimización, multiobjetivo, viga en doble T.

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Estudio paramétrico de pilas altas para viaductos en las líneas de alta velocidad

El diseño de las pilas de puentes tiene una importancia especial desde el punto de vista económico si consideramos que, según la altura de las pilas y las condiciones del terreno de cimentación, este coste puede representar el 50% del total del coste de un viaducto. En este post he querido resaltar algunos resultados de un trabajo realizado por nuestro grupo de investigación, que presenta un estudio paramétrico sobre pilas altas (más de 50 m de altura) de hormigón armado de sección rectangular hueca para puentes. Estas pilas se utilizan habitualmente en la construcción de viaductos ferroviarios de hormigón pretensado.

Para optimizar las pilas, se empleó un algoritmo de optimización basado en el comportamiento de las hormigas (Ant Colony Optimization). Se han estudiado veintiún casos diferentes para siete alturas de columna de 40, 50, 60, 70, 80, 90 y 100 m, y tres tipos de viaductos para líneas de alta velocidad, con 10 tramos continuos, cuyas longitudes de vano principal fueron de 40, 50 y 60 m. Las pilas estudiadas son las columnas intermedias ubicadas en el centro de los viaductos. El número total de variables de diseño de optimización varía entre 139 para pilas con altura de la columna de 40 m y 307 para pilas con altura de 100 m. Los resultados presentados en el trabajo son de gran valor para el diseño preliminar de este tipo de estructuras, con reglas de predimensionamiento prácticas de interés.

Viaducto de O Eixo, ejemplo de empleo de pilas altas, http://www.pondio.com

Resultados interesantes:

Las cuantías medias necesarias de acero y hormigón, tanto en alzado como en cimentación, para las pilas estudiadas varían entre 887 kg/m y 12 m³/m para alturas de 40 m, y entre 2720 kg/m y 26 m³/m en alturas de 100 m.
Los costes medios encontrados varían desde un mínimo de 3221 €/m para las pilas menos cargadas hasta un máximo de 6206 €/m para las más cargadas.

Referencia:

MARTÍNEZ-MARTÍN, F.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; YEPES, V. (2013). A parametric study of optimum tall piers for railway bridge viaducts. Structural Engineering and Mechanics, 45(6): 723-740. (link)

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Diseño de experimentos en cuadrado latino

En el diseño en cuadrado latino se tienen cuatro fuentes de variabilidad que pueden afectar a la respuesta observada: los tratamientos, el factor de bloque I (columnas), el factor de bloque II (filas) y el error aleatorio. Se llama cuadrado latino porque se trata de un cuadrado que tiene la restricción adicional de que los tres factores involucrados se prueban en la misma cantidad de niveles, y se llama latino porque se utilizan letras latinas para denotar los tratamientos o niveles de los factores de interés.

Veamos un ejemplo práctico: se trata de averiguar si la resistencia característica del hormigón a la compresión (MPa) varía según cuatro dosificaciones (D1, D2, D3, D4). Para ello, se han preparado amasadas en 4 amasadoras distintas y los ensayos se han realizado en 4 laboratorios. Los resultados obtenidos se han presentado en la tabla a continuación.

	TIPO DE AMASADORA
	1	2	3	4
Laboratorio 1	26,7 (D3)	19,7 (D1)	28,0 (D2)	29,4 (D4)
Laboratorio 2	23,1 (D1)	20,7 (D2)	24,9 (D4)	29,0 (D3)
Laboratorio 3	28,3 (D2)	20,1 (D4)	29,0 (D3)	27,3 (D1)
Laboratorio 4	25,1 (D4)	17,4 (D3)	28,7 (D1)	34,1 (D2)

En este caso, la variable de respuesta es la resistencia característica del hormigón a la compresión (MPa); el factor es la dosificación y los bloques son las amasadoras y los laboratorios. Se supone que no existe interacción entre el factor y los bloques. El ANOVA se utiliza para comprobar los efectos de los tratamientos (es decir, las dosificaciones).

A continuación, os dejo un videotutorial para resolver este diseño con el programa estadístico SPSS.

Referencias:

Gutiérrez, H.; de la Vara, R. (2004). Análisis y Diseño de Experimentos. McGraw Hill, México.
Vicente, M.ª L.; Girón, P.; Nieto, C.; Pérez, T. (2005). Diseño de experimentos. Soluciones con SAS y SPSS. Pearson, Prentice Hall, Madrid.
Pérez, C. (2013). Diseño de experimentos. Técnicas y Herramientas. Garceta Grupo Editorial, Madrid.

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¿Cómo nos enseñan las luciérnagas a diseñar puentes?

La naturaleza es más sabia de lo que sospechamos. ¿Quién diría a un ingeniero estructural que una simple luciérnaga sería capaz de sonrojarle e incluso de enseñarle trucos para diseñar puentes, no solo más baratos, sino también más respetuosos con el medio ambiente? Pues bien, no solo es cierto, sino que también podemos aprender del comportamiento social de las luciérnagas para optimizar las estructuras. Efectivamente, las luciérnagas se comportan como un colectivo de manera inteligente. Las luciérnagas basan su comportamiento social en la luminosidad que emiten (luciferina). La característica más distintiva de las luciérnagas es su cortejo nocturno. Los machos patrullan en busca de pareja con un vuelo característico, mientras emiten secuencias de destellos de luz propias de cada especie. Las hembras de la misma especie pueden responder con destellos específicos y así el apareamiento puede ocurrir. En la resolución de problemas, la luminosidad de una luciérnaga depende tanto de la calidad de la solución encontrada como de la distancia desde la que las demás compañeras buscan soluciones. Cada luciérnaga selecciona, mediante un mecanismo probabilístico, un vecino con un valor de luciferina mayor que el suyo y se mueve hacia él. De esta forma, se pueden optimizar los puentes.

Dentro del proyecto de investigación HORSOST, nos acaban de aceptar un artículo científico en la revista Automation in Construction, que es una revista de primer nivel en el ámbito de la tecnología de la construcción (Factor de impacto en 2013: 1,822, posición 9 de 58 en el ámbito de Construction & Building Technology, y posición 19 de 124 en el ámbito de Civil Engineering, en función del impacto de las revistas indexadas en el JCR).

En este trabajo se describe una metodología para minimizar las emisiones de CO₂ y los costes de los puentes de carretera de vigas de hormigón pretensado prefabricadas con sección transversal en doble U. Para ello, se ha utilizado un algoritmo híbrido de optimización por enjambre de luciérnagas (glowworm swarm optimization, GSO) y el recocido simulado (simulated annealing, SA), denominado SAGSO. La estructura se define por 40 variables, que determinan la geometría, los tipos de materiales y las armaduras de la viga y de la losa. Se emplea hormigón de alta resistencia autocompactante para la fabricación de las vigas. Los resultados constituyen para los ingenieros proyectistas una guía útil para el predimensionamiento de puentes prefabricados de este tipo. Además, los resultados indican que, en promedio, una reducción de 1 euro en costes permite ahorrar hasta 1,75 kg de emisiones de CO₂. Además, el estudio paramétrico realizado muestra que las soluciones de menor coste presentan un resultado medioambiental satisfactorio, que difiere en muy poco respecto a las soluciones que provocan menores emisiones.

Resultados interesantes:

El coste C, en euros, y las emisiones de CO₂, en kg, varían de forma parabólica con la luz (L) del vano, en metros:

C=48.088L²+613.99L+31139

kgCO₂=63.418L²+2392.3L+13328

Si se minimiza el coste, también se reducen las emisiones de CO₂, de forma que el ahorro en 1 euro equivale a ahorrar 1,75 kg de CO₂.
La esbeltez de los puentes de mínimo coste (L/18,08) y de emisiones mínimas (L/17,57) siempre es inferior a L/17.
El espaciamiento entre las vigas se sitúa en torno a 5,85 m, con un rango de 5,65 a 5,95 m.
Las estructuras de coste mínimo precisan 42,35 kg/m² de armadura pasiva, mientras que si se optimizan las emisiones, se necesitarían 37,04 kg/m².
Sorprende observar que, aunque el hormigón de alta resistencia parece ser el adecuado para el prefabricado de vigas, las estructuras óptimas se alejan de dicho supuesto. De hecho, el hormigón para el coste mínimo en las vigas prefabricadas oscila entre 40 y 50 MPa, alejado de los 100 MPa que permitía la optimización.
Por último, un análisis de sensibilidad de costes en los resultados optimizados indica que un aumento del 20% en los costes del acero haría que el coste total de la estructura aumentara un 10,27 %, lo que disminuiría el volumen de acero empleado. Sin embargo, si sube en un 20 % el precio del hormigón, el coste total solo subiría un 3,41 % y apenas variaría el volumen de hormigón consumido.

Referencia:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Cost and CO₂ emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction, 49:123-134. DOI: 10.1016/j.autcon.2014.10.013 (link)

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Caracterización estadística de tableros pretensados para carreteras

El presente artículo presenta una caracterización estadística de una muestra de 87 tableros reales de pasos superiores pretensados de canto constante para carreteras. El objetivo principal es encontrar fórmulas de predimensionamiento con el mínimo número de datos posible que permitan mejorar el diseño previo de estas estructuras. Para ello, se han realizado un análisis exploratorio y otro multivariante de las variables geométricas determinantes, de las cuantías de materiales y del coste, tanto para tableros macizos como aligerados. Los modelos de regresión han permitido deducir que el canto y la armadura activa quedan bien explicados por la luz, mientras que la cuantía de hormigón lo está por el canto. La variable que mejor explica (71,3%) el coste por unidad de superficie de tablero en losa maciza es el canto, mientras que en las aligeradas es la luz (51,9%). Las losas macizas son económicas en vanos inferiores a 19,24 m. La luz principal y los voladizos, junto con la anchura del tablero para losas macizas o el aligeramiento interior para las aligeradas, bastan para predimensionar la losa, con errores razonables en la estimación económica.

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Errores al plantear un problema de investigación

Cuando se plantea un problema de investigación, se cometen errores frecuentes que dificultan o distorsionan el trabajo de investigación. Es fácil confundir el método de investigación con el propósito que queremos investigar, y es un error común focalizar el esfuerzo en la aplicación de procedimientos, algoritmos o metodologías de moda, olvidándose del problema de investigación.

Plantear un problema de investigación consiste en estructurar y formalizar una idea de investigación, que representa el primer acercamiento a la realidad que se investigará o a los fenómenos, sucesos y ambientes a estudiar. De hecho, el planteamiento del problema de investigación consiste en desarrollar la idea a partir de los siguientes elementos: objetivos de la investigación, preguntas de investigación, justificación de la investigación, viabilidad de la investigación y evaluación de las deficiencias en el conocimiento del problema. Pues bien, es habitual comprobar que algunos de estos conceptos se confunden o no se delimitan con claridad, lo cual entorpece o desvía el esfuerzo del investigador novel.

Los objetivos y las preguntas de investigación deben ser coherentes entre sí e ir en la misma dirección. Los objetivos de investigación establecen qué se pretende lograr con la investigación. Las preguntas de investigación indican qué respuestas deben encontrarse mediante la investigación. La justificación establece por qué y para qué debe realizarse la investigación. La viabilidad indica si es posible realizarla y, por último, la evaluación de deficiencias valora la evolución del estudio del problema.

Pero veamos algunos ejemplos de errores frecuentes:

Pregunta de investigación poco específica: «¿Cuáles serán las necesidades de formación de alto nivel de las empresas constructoras medianas y grandes de la zona central del país?» La falta de concreción es evidente: ¿Qué tipo de necesidades (financieras, tecnológicas, de calidad…)? ¿Qué significa «alto nivel»? ¿Qué son las empresas medianas y grandes? ¿Cuál es la zona central del país?

Objetivo de investigación vago o muy general: «Determinar los problemas de producción de las empresas constructoras«. ¿Qué tipo de problemas? ¿Empresas constructoras de cualquier tamaño? ¿Construcción civil o edificación?

Objetivo de investigación dirigida a una etapa de la investigación y no a todo el proceso: «Medir el valor del capital humano en empresas constructoras medianas de la Comunidad Valenciana«. Además de impreciso, «medir» no es un objetivo de investigación, sino una actividad del proceso en su conjunto.

Por tanto, algunos de los errores más frecuentes que presentan los objetivos o las preguntas de investigación son los siguientes:

Términos generales, poco específicos.
Objetivos o preguntas dirigidas a una etapa de la investigación y no a todo el proceso.
Objetivos o preguntas dirigidas a una consecuencia, un entregable, un producto o un impacto de la investigación.
Objetivos o preguntas que no implican una investigación completa (el proceso), sino la obtención de un dato o de cierta información.
Objetivos o preguntas que son de poco valor como para desarrollar toda una investigación.
Objetivos o preguntas que plantean estudios dispersos (en varias direcciones).

Os recomiendo el libro «Metodología de la investigación», de Roberto Hernández Sampieri y colaboradores, de la editorial McGraw-Hill Education, que en el 2014 ya va por su sexta edición. Os dejo un vídeo del autor sobre el tema.

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Optimización de la gestión del mantenimiento de una red de carreteras bajo restricciones presupuestarias

El mantenimiento de las carreteras constituye uno de los mayores problemas que debe abordar cualquier administración pública. Una inversión insuficiente o una estrategia de mantenimiento ineficiente provoca costes económicos muy altos a corto, medio y largo plazo. Cuando existen restricciones presupuestarias, como es habitual, la asignación óptima de los recursos escasos se convierte en un aspecto crucial. La pregunta clave es, para un horizonte temporal determinado, contestar dónde, cuándo y de qué forma se debe abordar un tratamiento que sea capaz de maximizar los indicadores de prestación de la infraestructura sin sobrepasar las previsiones presupuestarias.

Un ejemplo de colaboración entre grupos de investigación de la Universidad Politécnica de Valencia y la Pontificia Universidad Católica de Chile se plasma en una serie de artículos de investigación conjunta donde se aborda el problema de la optimización del mantenimiento de las infraestructuras, en particular, de redes de carreteras. En concreto, la colaboración se lleva a cabo entre los departamentos de ingeniería y de gestión de la construcción de ambas universidades. Este es un ejemplo en el que la investigación aplicada tiene un campo claro de trabajo conjunto con las administraciones públicas en la gestión de los activos públicos.

No cabe duda de que el esfuerzo por mantener los niveles de servicio de las infraestructuras básicas (hospitales, carreteras, puertos, ferrocarriles, presas, etc.) bajo las restricciones presupuestarias cada vez mayores va a constituir uno de los mayores retos a los que se enfrenta la sociedad actual.

A continuación os dejo este artículo editado en abierto, que también podéis encontrar directamente en este enlace. Espero que sea de interés.

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Mis líneas de investigación en el Programa de Doctorado en Ingeniería de la Construcción

El Programa de Doctorado en Ingeniería de la Construcción de la Universidad Politécnica de Valencia ha sido seleccionado con la “Mención hacia la Excelencia”. Hoy en día, el título de doctor constituye un valor añadido no solo en los ámbitos universitarios, sino también en las empresas e instituciones. Este Programa de Doctorado está estrechamente relacionado con el Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón, aunque no es necesario cursar el máster para acceder a este nivel de posgrado. Dentro de este programa existen tres líneas de investigación en las que estoy trabajando y liderando proyectos de investigación, que son las siguientes:

PROPT-ED: 5. Modelos predictivos aplicados al hormigón estructural basados en la minería de datos e inteligencia artificial

El descubrimiento de conocimiento en bases de datos constituye un área en la que se realizan numerosos esfuerzos, tanto en metodología como en investigación. En este contexto, la minería de datos es un conjunto de herramientas empleadas para extraer información no trivial que reside implícitamente en los datos. Esta parcela reúne ventajas de varias áreas como la estadística, la inteligencia artificial, la computación gráfica, las bases de datos y el procesamiento masivo. Mediante los modelos extraídos con este tipo de técnicas se puede abordar la resolución de problemas de predicción, clasificación y segmentación aplicados al hormigón estructural. Algunas de sus herramientas más representativas son las redes neuronales, la programación genética, las máquinas de soporte vectorial, los árboles de decisión, los modelos estadísticos avanzados multivariantes, el diseño de experimentos y el agrupamiento o clustering. Estas herramientas construyen modelos abstractos a partir de datos mediante métodos de aprendizaje automático (machine learning). Dentro de esta línea se encuentra el proyecto de investigación HORSOST, que trata del diseño eficiente de estructuras de hormigón no convencionales basadas en criterios sostenibles multiobjetivo mediante el empleo de técnicas de minería de datos.

PROPT-ED: 6: Optimización heurística en ingeniería

Los problemas de ingeniería suelen ser difíciles de optimizar mediante métodos exactos, al igual que ocurre con muchos problemas de decisión en el campo de la investigación de operaciones. La línea de investigación profundiza en métodos de optimización empleados en inteligencia artificial, tales como los algoritmos genéticos, las redes neuronales, la cristalización simulada, la búsqueda tabú, los sistemas de hormigas, GRASP, etc., capaces de proporcionar buenos resultados en numerosos problemas de ingeniería, como las estructuras, las redes de transporte y la planificación de obras.

PROPT-ED: 7: Estandarización de la gestión de la innovación en empresas del sector de la construcción

La gestión de la innovación en las empresas del sector de la construcción se encuentra en un estado inmaduro, con ideas innovadoras que provienen principalmente de los problemas que surgen en la obra. Sin embargo, la gestión estratégica empresarial no suele considerar la innovación, sino que se apoya en subcontratistas especializados. Esta línea de investigación pretende analizar la forma en que se desarrolla la innovación en las organizaciones del sector de la construcción, los factores de los que depende y las barreras más importantes; se parte de un modelo propuesto en una investigación exploratoria previa, el cual se contrasta en diferentes tipos de empresas y circunstancias.

Los resultados de estas líneas de investigación se materializan en un número significativo de tesis doctorales, tesinas de máster y proyectos de investigación cuyos resultados son algunas publicaciones que podéis consultar en el siguiente enlace: http://victoryepes.blogs.upv.es/publicaciones/articulos-jcr/

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