Diseño óptimo de un puente mixto basado en un algoritmo de inteligencia de enjambre discreto

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization (revista indexada en el JCR en el primer cuartil) sobre la optimización de puentes mixtos de hormigón y acero usando un algoritmo de inteligencia de enjambre discreto y funciones de transferencia. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La optimización de puentes puede ser compleja debido al gran número de variables que intervienen en el problema. En este trabajo se ha ejecutado dos optimizaciones de puentes mixtos de sección en cajón, considerando el coste y las emisiones de CO₂ como funciones objetivo. Tomar las emisiones de CO₂ como función objetivo permite añadir criterios de sostenibilidad para comparar los resultados con el coste. Se han aplicado las metaheurísticas SAMO2, SCA y Jaya para alcanzar este objetivo. Se implementaron funciones de transferencia para adaptar SCA y Jaya a la naturaleza discontinua del problema de optimización del puente. Además, se ha llevado a cabo un Diseño de Experimentos para afinar el algoritmo y establecer sus parámetros. En consecuencia, se ha observado que SCA muestra valores similares para la función objetivo de coste que SAMO2, pero mejora el tiempo computacional en un 18% a la vez que obtiene valores más bajos para la desviación del resultado de la función objetivo. A partir de un análisis de optimización de costes y CO₂, se observa una reducción de 2,51 kg de CO₂ por cada euro reducido utilizando técnicas metaheurísticas. Además, para ambos objetivos de optimización, se comprueba que la adición de celdas a las secciones de los puentes mejora no solo el comportamiento de la sección, sino también los resultados de la optimización. Por último, los resultados muestran que el diseño propuesto de doble acción mixta en los apoyos permite eliminar los rigidizadores longitudinales continuos dispuestos en el ala inferior en este estudio.

Abstract:

Bridge optimization can be complex because of the large number of variables involved in the problem. In this paper, two box-girder steel–concrete composite bridge single objective optimizations have been carried out considering cost and CO₂ emissions as objective functions. Taking CO₂ emissions as an objective function allows adding sustainable criteria to compare the results with cost. SAMO2, SCA, and Jaya metaheuristics have been applied to reach this goal. Transfer functions have been implemented to fit SCA and Jaya to the discontinuous nature of the bridge optimization problem. Furthermore, a Design of Experiments has been conducted to tune the algorithm and set its parameters. Consequently, it has been observed that SCA shows similar values for objective cost function as SAMO2 but improves computational time by 18% while also getting lower values for the objective function result deviation. From a cost and CO₂ optimization analysis, it has been observed that a reduction of 2.51 kg CO₂ is obtained by each euro reduced using metaheuristic techniques. Moreover, for both optimization objectives, it is observed that adding cells to bridge cross-sections improves not only the section behavior but also the optimization results. Finally, it is observed that the proposed design of double composite action in the supports allows this study to remove continuous longitudinal stiffeners in the bottom flange.

Keywords:

Swarm intelligence; Steel–concrete composite structures; Bridges; Optimization; Metaheuristics; Sustainability

Reference:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; GARCÍA, J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2022). Optimal design of steel-concrete composite bridge based on a transfer function discrete swarm intelligence algorithm. Structural and Multidisciplinary Optimization, 65:312. DOI:10.1007/s00158-022-03393-9

El artículo está publicado en abierto, por lo que podéis realizar su descarga gratuita en este enlace: https://link.springer.com/article/10.1007/s00158-022-03393-9

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Estudio de soluciones para el proyecto de una pasarela basado en un proceso analítico jerárquico

Durante los días 5-8 de julio de 2022 se celebró en Terrasa (Spain) el 26th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2022. Fue una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, presentó varias comunicaciones.

A continuación os paso una relacionada con el estudio de soluciones para el proyecto de una pasarela basado en un proceso analítico jerárquico (AHP).

Referencia:

YEPES-BELLVER, V.J.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Study of solutions for the design of a footbridge based on a hierarchical analytical process. 26th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 5-8 de julio, Terrassa (Spain), pp. 512-524.

Os dejo un vídeo de la presentación realizada y la comunicación completa. Espero que os sean de interés.

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El jeep que viaja por un cable, la rectificación del arco y la fórmula de Stevenin

Andaba estudiando 4º curso de la carrera de ingenieros de caminos, canales y puertos de Valencia, cuando en la asignatura de Procedimientos Generales de Construcción y Organización de Obras, el profesor Hermelando Corbí nos explicaba problemas de cables. Uno de dichos problemas lo he rescatado de mis viejos apuntes. Trata de un jeep que tiene que pasar por un puente militar formado por un cable. ¡Quién sabe cómo puede viajar un jeep por un solo cable! Pero bueno, el problema era el que era y había que resolverlo.

Con los planes de estudios actuales, los problemas de cables no se estudian en esta asignatura. Se reserva solo su estudio cualitativo, dejando a otras asignaturas de cálculo de estructuras este tema tan interesante.

El problema que os presento resuelto a continuación utiliza varias fórmulas dimensionales y aproximaciones que estudiábamos en aquel momento. Podéis ver cómo el problema sigue resuelto en unidades diferentes a las que empleamos ahora. Pero sirve para ver cómo ha cambiado la forma de plantear y resolver los problemas. Las expresiones usadas en el problema provienen del desarrollo teórico de las ecuaciones de equilibrio de un elemento de cable, de la ecuación fundamental de la estática de cables, de la rectificación del arco y de la fórmula de Stevenin.

Espero que este problema resuelto le traiga recuerdos a más de un compañero de promoción. Si encontráis alguna errata, por favor, me lo indicáis. Por cierto, si tenéis alguna fotografía de un jeep paseando por un puente militar formado por un solo cable, me lo mandáis.

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Conferencia en el JSAEE 2022: Diseño y mantenimiento sostenible de estructuras y puentes considerando su ciclo de vida

Con motivo de la celebración del XXXIX Congreso Sudamericano de Ingeniería Estructural JSAEE 2022, fui invitado a impartir una conferencia denominada “Diseño y mantenimiento sostenible de estructuras y puentes considerando su ciclo de vida“. En esta conferencia explico lo que está realizando nuestro grupo de investigación con proyectos como DIMALIFEHYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Espero que os sea de interés.

Optimización ambiental de grandes puentes basándose en el acoplamiento de múltiples restricciones

Nos acaban de publicar en la revista Environmental Impact Assessment Review (primer cuartil del JCR) un artículo relacionado con la optimización ambiental de grandes puentes basándose en el acoplamiento de múltiples restricciones. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Para reducir la huella de carbono de los puentes al medio ambiente, se debe investigar con mayor profundidad su diseño. Los ingenieros actuales prestan más atención a los requisitos financieros y persiguen la maximización de los beneficios económicos. Este trabajo, por tanto, comienza estableciendo un modelo teórico de la robustez del puente bajo cargas muertas y dinámicas: la aplicación de un modelo de elementos finitos sólido tridimensional (3D), un algoritmo de optimización de inteligencia de enjambre y un modelo matemático de aproximación de interpolación cuadrática para resolver los problemas de cargas múltiples, datos discretos y convergencia. Se completa la investigación y el análisis del modelo de puente de topología óptima, y se obtiene el tamaño óptimo de la estructura. Las emisiones de carbono de la optimización del puente se redujeron en 2242,92 toneladas, lo que supone el 25% de las emisiones totales. Estos datos son significativos, permitiendo recordar a los inversores y a los gobiernos que deben prestar más atención a la construcción y el desarrollo sostenibles de la industria de la construcción y lograr acercarse al objetivo de cero emisiones de carbono en la industria de la construcción lo antes posible.

El artículo se puede descargar de forma gratuita hasta el 10 de noviembre de 2022 en el siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/c/1fnuMiZ5t92~H

Abstract:

To reduce the pollution emissions of bridges to the environment, researchers need to conduct more in-depth research and design the structure. Today’s architectural, structural, and mechanical engineers pay more attention to funders’ requirements and pursue the maximization of economic benefits. The research begins with establishing a theoretical model of the bridge’s robustness under dead and dynamic loads: applying a Three-Dimensional (3D) solid finite element model, swarm intelligence optimization algorithm, and mathematical model of quadratic interpolation approximation solves the problems of multiple loads, discrete data, and convergence. Based on the establishment and analysis data of the research model, the research and analysis of the optimal topology bridge model are completed, and the optimal structure size is obtained. The carbon emissions from the bridge optimization decreased by 2242.92 t, accounting for 25% of the total emissions. This data is shocking, and it also gives investors and governments a painful reminder that they must pay more attention to the sustainable construction and development of the construction industry and achieve the goal of zero carbon emissions in the construction industry as soon as possible.

Keywords:

Construction industry; Structure model; Topology optimization; Load; Sustainable; Design

Reference:

ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Research on the optimized environment of large bridges based on multi-constraint coupling. Environmental Impact Assessment Review, 97:106914. DOI:10.1016/j.eiar.2022.106914

Proceso analítico en red para valorar la sostenibilidad de puentes en ambientes marinos

Durante los días 11 a 12 de julio de 2022 tuvo lugar el International Conference on High Performance and Optimum Design of Structures and Materials HPSM/OPTI/SUSI 2022. La reunión permitió el intercambio de ideas y la interacción entre investigadores, diseñadores y académicos de la comunidad para compartir los avances en los campos científicos relacionados con los temas de la conferencia. Todas las ponencias de la conferencia se archivan en la biblioteca electrónica del Instituto Wessex (www.witpress.com/elibrary), donde están disponibles de forma fácil y permanente en formato de acceso abierto para la comunidad internacional.

Dentro de este congreso, nuestro grupo de investigación presentó un trabajo de investigación sobre la aplicación del Proceso Analítico en Red (ANP) para valorar la sostenibilidad de puentes en ambientes marinos. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Os dejo la comunicación completa (está en abierto) por si os resultara de interés.

Referencia:

NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2022). Group Analytic Network Process for the sustainability assessment of bridges nearshore. WIT Transactions on The Built Environment, 209: 143-154. DOI:10.2495/HPSU220131. ISSN 1743-3509 (on-line)

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Optimización sostenible de puentes losa postesados usando metamodelos

Durante los días 12 a 14 de septiembre de 2022 tuvo lugar en las Palmas de Gran Canaria el Congreso de Métodos Numéricos en Ingeniería CMN 2022. El objetivo de este congreso es actuar como un foro en que se recopilen los trabajos científicos y técnicos más relevantes en el área de los métodos numéricos y la mecánica computacional, así como sus aplicaciones prácticas.  CMN 2022 está organizado conjuntamente por las sociedades de métodos numéricos española (SEMNI), portuguesa (APMTAC) y por el Instituto Universitario de Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería (SIANI) de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (ULPGC).

Dentro de este congreso tuve la ocasión de actuar como presidente, junto con el profesor David Greiner, de la sesión paralela denominada “Optimization, metaheuristics and evolutionary algorithms in civil engineering“. Además, nuestro grupo de investigación presentó un trabajo de investigación sobre la optimización de puentes mediante metamodelos Kriging. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Os dejo la comunicación en español por si os resultara de interés.

Referencia:

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Sustainable optimization of post-tensioned cast-in-place concrete slab road bridges using metamodels. Congress on Numerical Methods in Engineering CMN2022, 12-14 September 2022, Las Palmas de Gran Canaria, Spain, pp. 166-185. ISBN: 978-84-123222-9-3

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Puente romano sobre el río Vidourle, en Sommières (Francia)

Figura 1. Vista del sobre el río Vidourle, en Sommières (Francia). Imagen: V. Yepes (2022)

El conocido como “Puente de Tiberio”, es un famoso puente sobre el Río Vidourle cuya construcción se atribuye tradicionalmente al emperador Tiberio (19 a 31 d.C.). Sin embargo, según un reciente estudio, su construcción es anterior y data de la época de Augusto (entre el siglo I a.C. y el siglo I d.C.).

Este puente permitía el paso de una vía romana secundaria que unía Nîmes con Vieille-Toulouse. Con sus 189 m de longitud y 21 arcos, de los que solo se conservan 7. De hecho, al principio del siglo X, la población empezó a construir sobre el puente. La particularidad de esta estructura es que en la Edad Media fue absorbida por la ciudad, que se desarrolló por debajo del castillo en el lecho del río e invadió así el puente. A partir de los siglos XII y XIII, la ciudad se desarrolló por su posición y también por los privilegios que le concedió el rey. Se convirtió en una importante ciudad comercial y se expandió en el lecho del río. Para ello, se taparon seis arcos del puente y se construyeron casas sobre ellos. Los arcos originales están ahora ocultos en los sótanos de los edificios situados a ambos lados del puente. Pero si baja a la Place du Marché, toma la Rue de la Grave y mira hacia arriba, descubrirá las grandes piedras romanas que datan de la construcción del puente. La parte visible de esta estructura ya no tiene nada que ver con el puente original porque ha sufrido numerosas restauraciones desde el siglo XV, como atestiguan varios documentos. También se realizaron obras en los siglos XVII y, sobre todo, XVIII.

Figura 2. Vista del sobre el río Vidourle, en Sommières (Francia). Imagen: V. Yepes (2022)

Este puente se puede ver en Sommières, un pueblo francés situado en la región de Languedoc-Rosellón, departamento de Gard, en el distrito de Nîmes). Desde la antigüedad, el pueblo se encuentra en el cruce de importantes vías de comunicación: el eje norte-sur de la Vidourle y el eje este-oeste de la calzada romana que unía Nîmes con la Vieille Toulouse. Esta posición privilegiada, así como la proximidad de Nîmes (Némausus), permitió el desarrollo de la ciudad a partir de entonces, con una relevante ciudad en Villevieille, pero sobre todo en la Edad Media bajo la protección del castillo.

Hoy en día, Sommières es la única ciudad del departamento de Gard que cuenta con una obra única en Europa: el puente romano es uno de los raros edificios de esta época que se conservan íntegros, utilizados en la actualidad y habitados desde la Edad Media. Es uno de los únicos puentes habitados de Europa, junto al famoso Ponte Vecchio de Italia…

Figura 3. Placa explicativa del puente. Imagen: V. Yepes (2022)

Os dejo un vídeo que habla de este puente (en francés).

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Ciclo de vida de puentes de hormigón en regiones costeras basada en el proceso analítico en red (ANP)

Acaban de publicarnos un artículo en Sustainability, revista indexada en el primer cuartil del JCR. Se trata de aplicar la técnica de toma de decisiones en red ANP para evaluar la sostenibilidad del ciclo de vida de los puentes de hormigón en las regiones costeras. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Desde que se establecieron los Objetivos de Desarrollo Sostenible en 2015, la evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras ha estado en el punto de mira de la comunidad científica. Esto se debe a que el sector de la construcción es esencial para promover el bienestar social y el desarrollo económico de los países, pero también es uno de los principales factores de estrés ambiental. Sin embargo, la evaluación de la sostenibilidad de las infraestructuras a lo largo de su ciclo de vida sigue siendo un reto importante, pues los criterios que intervienen en el diseño sostenible suelen ser complejos y contradictorios. El Proceso Analítico en Red (ANP) es una poderosa herramienta de toma de decisiones para modelar tales problemas. En este caso, se evalúa la sostenibilidad del ciclo de vida de diferentes alternativas de puentes de hormigón en ambiente costero utilizando el ANP. Los resultados obtenidos se comparan con los obtenidos mediante el Proceso Analítico Jerárquico (AHP) convencional. Los resultados obtenidos mediante ANP son más fiables que los derivados del AHP en términos de consistencia de los expertos y del número de comparaciones realizadas.

Abstract:

Since establishing the Sustainable Development Goals in 2015, the assessment of the sustainability performance of existing and future infrastructures has been in the spotlight of the scientific community. This is because the construction sector is essential for promoting the social welfare and economic development of countries, but is also one of the main environmental stressors existing to date. However, assessing infrastructure sustainability throughout its life cycle remains a significant challenge, as the criteria involved in sustainable design are often complex and conflicting. The Analytic Network Process (ANP) is recognized as a powerful decision-making tool to model such problems. Here, the life cycle sustainability performance of different design alternatives for a concrete bridge near the shore is evaluated using ANP. The obtained results are compared with those obtained using the conventional Analytical Hierarchy Process (AHP). The results obtained using ANP are more reliable than those derived from the conventional AHP in terms of the expert’s consistency and the number of comparisons made.

Keywords:

Sustainability; Analytic Network Process; bridge design; life cycle assessment; TOPSIS; multi-criteria decision making

Reference:

NAVARRO, I.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2022). Analytic Network Process-based sustainability life cycle assessment of concrete bridges in coastal regions. Sustainability, 14(17):10688. DOI:10.3390/su141710688

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

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