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.
El Grupo Español de IABSE (International Association for Bridge and Structural Engineering) organizó, en colaboración con la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid – UPM, el Workshop on Bridge Design 2015, WoBD2015. Gracia a ello tenemos la ocasión de poder escuchar a Javier Manterola dando su visión personal sobre los puentes. Espero que os guste el vídeo.
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.
¿Cuándo empieza realmente la optimización de las estructuras? Difícil pregunta a resolver. Si bien los aspectos básicos relacionados con la optimización matemática se establecieron en los siglos XVIII y XIX con los trabajos de Lagrange o Euler, hay que esperar hasta los años 40 del siglo XX para que Kantorovich y Dantzing desarrollaran definitivamente los principios de la programación matemática. Es a partir de la revolución informática de los años 70 cuando estas herramientas empiezan a ser empleadas habitualmente en numerosas aplicaciones en las ciencias, las ingenierías y los negocios. Sin embargo, el progreso de técnicas de optimización que no requieran derivadas y que se generen a través de reglas heurísticas, ha supuesto una auténtica revolución en el campo de la optimización de los problemas reales. En efecto, los métodos aproximados pueden utilizarse allí donde el elevado número de variables en juego impiden la resolución en un tiempo de cálculo razonable de los problemas mediante la programación matemática. A estos algoritmos de optimización aproximada, cuando su uso no está restringido a un solo tipo de problemas, la comunidad científica en el ámbito de la inteligencia artificial y la investigación operativa les ha dado el nombre de metaheurísticas. Este grupo incluye una amplia variedad de procedimientos inspirados en algunos fenómenos naturales, tales como los algoritmos genéticos, el recocido simulado o la optimización por colonias de hormigas . Liao et al. [1] presentan una revisión de la aplicación de los métodos heurísticos en el campo de la gestión del proyecto y de la construcción.
En relación con la optimización de las estructuras, si bien la información más antigua se remonta al siglo XV con los trabajos de Leonardo da Vinci y de Galileo Galilei sobre la disminución del peso de estructuras de madera, hay que esperar al siglo XIX con Maxwell y Levy, y a comienzos del siglo XX con Mitchell, para ver las primeras aportaciones en el diseño de mínimo peso de estructuras de arcos y cerchas metálicas. En 1994, Cohn y Dinovitzer [2] realizaron una amplia revisión de los métodos empleados en la optimización de estructuras, comprobando que la inmensa mayoría de las investigaciones llevadas a cabo hasta entonces se basaban en la programación matemática y en problemas más bien teóricos, con una preponderancia abrumadora de las estructuras metálicas frente a las estructuras de hormigón. Así, la aplicación de métodos heurísticos a la ingeniería estructural se remonta a los años 70 y 80 [3-5], siendo la computación evolutiva, y en especial los algoritmos genéticos, los métodos que más se han utilizado. La revisión de Kicinger et al. [6] proporciona un completo estado del arte de los métodos evolutivos aplicados al diseño estructural. Por otro lado, nuestro grupo de investigación, a través de su proyecto de investigación HORSOST, y más recientemente con el proyecto BRIDLIFE, ha presentado trabajos recientes de diseño automático y optimización de estructuras de hormigón armado con algoritmos genéticos [7] y con otras técnicas heurísticas [8-13], así como trabajos de optimización con hormigón pretensado [14,15] o de la optimización de las infraestructuras lineales [16].
Os dejo a continuación un vídeo tutorial donde se realiza una pequeña introducción al diseño optimización estructural. Espero que os sea de interés. Por cierto, si alguien se anima a hacer su tesis doctoral con nuestro grupo de investigación, será bien recibido.
Referencias:
[1] T.W. Liao, P.J. Egbelu, B.R. Sarker, S.S. Leu, Metaheuristics for project and construction management – A state-of-the-art review, Automation in Construction 20 (2011) 491-505.
[2] M.Z. Cohn, A.S. Dinovitzer, Application of structural optimization, ASCE Journal of Structural Engineering 120 (1994) 617-649.
[3] A. Hoeffler, U. Leysner, J. Weidermann, Optimization of the layout of trusses combining strategies based on Mitchel’s theorem and on biological principles of evolution, Proceedings of the Second Symposium on Structural Optimization (1973).
[4] M. Lawo, G. Thierauf, Optimal design for dynamic stochastic loading: a solution by random search, en: Optimization in structural design, University of Siegen, 1982, pp. 346-352.
[5] D.E. Goldberg, M.P. Samtani, Engineering optimization via genetic algorithms, Proceedings of the Ninth Conference on Electronic Computation ASCE (1986) 471-482.
[6] R. Kicinger, T. Arciszewski, K. De Jong, Evolutionary computation and structural design: A survey of the state-of-the-art, Computers & Structures 83 (2005) 1943-1978.
[7] F.J. Martinez, F. González-Vidosa, A. Hospitaler, V. Yepes, Heuristic optimization of RC bridge piers with rectangular hollow sections, Computers & Structures 88 (2010) 375-386.
[8] I. Paya-Zaforteza, V. Yepes, F. González-Vidosa, A. Hospitaler, On the Weibull cost estimation of building frames designed by simulated annealing, Meccanica 45 (2010) 693-704.
[9] V. Yepes, F. González-Vidosa, J. Alcala, P. Villalba, CO2-Optimization design of reinforced concrete retaining walls based on a VNS-Threshold acceptance strategy, Journal of Computing in Civil Engineering ASCE 26 (2012) 378-386.
[10] C. Perea, V. Yepes, J. Alcala, A. Hospitaler, F. González-Vidosa, A parametric study of optimum road frame bridges by threshold acceptance, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences 17 (2010) 427-437.
[11] A. Carbonell, V. Yepes, F. González-Vidosa, Búsqueda exhaustiva por entornos aplicada al diseño económico de bóvedas de hormigón armado, Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería 27 (2011) 227-235.
[12] A. Carbonell, F. González-Vidosa, V. Yepes, Design of reinforced concrete road vaults by heuristic optimization, Advances in Engineering Software 42 (2011) 151-159.
[13] T. García-Segura, V. Yepes, J.V. Martí, J. Alcalá, Optimization of concrete I-beams using a new hybrid glowworm swarm algorithm. Latin American Journal of Solids and Structures, 11(7) (2014) 1190 – 1205.
[14] J.V. Martí, F. González-Vidosa, Design of prestressed concrete precast pedestrian bridges by heuristic optimization, Advances in Engineering Software 41 (2010) 916-922.
[15] J.V. Martí, F. González-Vidosa, V. Yepes, J. Alcalá, Design of prestressed concrete precast road bridges with hybrid simulated annealing, Engineering Structures 48 (2013) 342-352.
[16] C. Torres-Machí, A. Chamorro, C. Videla, E. Pellicer, V. Yepes. An interative approach for the optimization of pavement maintenance mangement at the network level, The Scientific World Journal ID 524329 (2014).
[17] T. García-Segura, V. Yepes, J. Alcalá, E. Pérez-López. Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures 92 (2015) 112-122.
[18] J.V. Martí, V. Yepes, F. González-Vidosa. Memetic algorithm approach to designing of precast-prestressed concrete road bridges with steel fiber-reinforcement. Journal of Structural Engineering ASCE 141(2) (2015) 04014114.
[19] V. Yepes, J.V. Martí, T. García-Segura. Cost and CO2 emission optimization of precast-prestressed concrete U-beam road bridges by a hybrid glowworm swarm algorithm. Automation in Construction49 (2015) 123-134.
[20] V. Yepes, T. García-Segura, J.M. Moreno-Jiménez. A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4) (2015) 1024-1036.
[21] A. Luz, V. Yepes, F. González-Vidosa, J.V. Martí. Diseño de estribos abiertos en puentes de carretera obtenidos mediante optimización híbrida de escalada estocástica. Informes de la Construcción, 67(540) (2015), e114.
[22] T. García-Segura, V. Yepes, J. Alcalá, E. Pérez-López. Hybrid harmony search for sustainable design of post-tensioned concrete box-girder pedestrian bridges. Engineering Structures, 92 (2015) 112-122.
[23] J.V. Martí, T. García-Segura, V. Yepes.Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy. Journal of Cleaner Production, 120 (2016) 231-240.
Ian Firth es director de la consultora de ingeniería Flint y Neil. En los vídeos que os dejo podemos ver la visión personal sobre el diseño de puentes. En estos vídeos se describen las características fundamentales de un puente y el trabajo de proyectista de puentes. Podéis poner subtítulos en inglés. Espero que os gusten.
Puente de Cangas del Narcea (Asturias). Fotografía de V. Yepes.
La visión de la Edad Media como una época tenebrosa supone ignorar el sorprendente progreso de la innovación y el saber técnico. Si bien es cierto que la caída del Imperio Romano y la caída de un poder central provocaron una caída drástica en la construcción. El inicio del nuevo milenio vino parejo al desarrollo de las ciudades y de la expansión comercial; se empiezan a construir nuevos puentes, en paralelo con las catedrales góticas. Esta actividad constructiva se reforzó con los caminos de peregrinaje hacia Roma y Santiago de Compostela, donde los monjes constructores tuvieron un papel de primera magnitud. Si se comparan con los puentes romanos, los medievales olvidan reglas estrictas en cuanto a su diseño, con arcos asimétricos, plantas curvas o quebradas, tímpanos aligerados, etc. Los medievales eran puentes pintorescos, atrevidos en ocasiones, pero de menor calidad y solidez que los romanos. La labra de los sillares en los puentes medievales es más tosca y defectuosa que la de los romanos. Los arcos suelen ser macizos, con bóvedas formadas por anillos paralelos unos a otros o bien dos roscas en los extremos con un relleno entre sí.
Sin entrar en más detalles, os propongo un concurso. Si te atreves, incluso puedes dedicar tus vacaciones a hacer un recorrido para fotografiarlos y luego nos lo cuentas. He publicado en Twitter un conjunto de puentes representativos del medievo español. No están todos, ni mucho menos. Puedes incluir los que quieras con la etiqueta #Puentes_medievales . Se trata de retuitear aquellos que más te gusten o incorporar nuevos puentes. Aunque muchos se llaman popularmente «puentes romanos», gran parte de ellos son medievales. Otros también se denominan «Puentes del Diablo«. Algunos se han rehabilitado o restaurado y han perdido parte del diseño original. Empezamos, pues. No se trata de votar la foto más bonita o al puente de tu pueblo, sino al que creas que estéticamente está más logrado, poniendo en marcha tu sentido ingenieril.
Los días 27 y 28 de mayo de 1937 fueron los días de la inauguración del puente Golden Gate. De este puente se ha escrito mucho, incluso algún post hemos escrito en este blog. Sin embargo, lo importante es que en Radio Nacional se hicieron eco de la noticia y en el programa «Esto me suena. Las tardes del Ciudadano García» y pudimos hablar durante unos minutos no sólo de este puente, sino de la importancia de la ingeniería española y de su difusión.
Os dejo el programa sacado directamente de la web de Radio Nacional. La entrevista dura hasta el minuto 18. Espero que os guste.
Dovela del puente de Île de Ré, en Francia. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Dovela
El objetivo del tratamiento térmico del hormigón durante la prefabricación de las dovelas es acelerar los procesos de fraguado y endurecimiento para poder realizar el desencofrado lo antes posible, siempre que la resistencia final sea similar a la del hormigón que endurece sin este tipo de tratamiento. El calentamiento se puede realizar mediante estufa tradicional o bien a través de encofrados por resistencias eléctricas o por vapor a baja presión.
Para evitar que el endurecimiento acelerado no merme la resistencia final se debe utilizar preferentemente un cemento Portland artificial, cuyo contenido en C3A sea menor al 11% y cuya relación C3S/C2S sea superior a 3. Además, el agua debe presentar una temperatura de 35 °C en el momento de la fabricación. Asimismo, se deberían utilizar encofrados con rigidez suficiente para oponerse a las dilataciones del hormigón en fase plástica en el momento del calentamiento.
El ciclo de tratamiento térmico debe cuidarse para evitar una bajada de la resistencia a largo plazo del hormigón, que normalmente puede situarse entre el 5 y el 15 %. Por tanto, un ciclo debería contemplar un periodo de preparación de 2 o 3 horas con el hormigón a temperatura ambiente, una subida posterior de temperatura a una velocidad inferior a 20 °C por hora, un escalón de tratamiento térmico que no supere los 80 °C (normalmente 65 °C), con una duración que depende de las dimensiones de la sección y las características del hormigón, y una bajada de temperatura a un ritmo similar al de la subida. Por tanto, no se debe acortar el periodo de preparación, no se debe acelerar la velocidad de subida de la temperatura ni elevar la temperatura máxima del tratamiento. En cualquier caso, la temperatura máxima queda limitada en función del entorno y de la composición del cemento (ver UNE-EN 13369:2013).
Referencia:
AENOR (2013): UNE-EN 13369:2013 Reglas comunes para productos prefabricados de hormigón.
Una de las actividades con más éxito que suelen celebrarse en muchas escuelas de ingeniería civil es el famoso concurso de puentes de palillos. La idea es sencilla. Con los mismos materiales y con unas reglas mínimas de diseño, se trata de ver qué estructura es la que más peso soporta. Ese fue el caso del Primer Concurso de Puentes de Palillos que tuvo lugar ayer en la Escuela de Ingenieros de Caminos de Valencia con motivo de la festividad del Santo Patrón y la Semana de la Ingeniería Civil. El diseño más resistente fue capaz de soportar más de 1500 kg. Sin embargo, ¿por qué tienen tanto éxito este tipo de eventos?
En primer lugar, es de las pocas veces que los alumnos abandonan el individualismo de los estudios y los exámenes y se incorporan a un reto común. Además, es divertido y se suma a una actividad lúdica donde el compañerismo entre alumnos (e incluso profesores) se hace patente. Por otra parte, vemos cómo algunos diseños de los alumnos de primer curso, que sin haber cursado estructuras se atreven con todo, dejan volar su imaginación e intuición. Tampoco es desdeñable la observación y la predicción por parte de muchos de cuál va a ser el motivo del fallo de la estructura y porqué. En fin, más de uno ha aprendido más estructuras en una tarde que en todo un cuatrimestre.
Curiosamente, algunos hijos pequeños y no tan pequeños de algunos profesores empezaron a «oler» lo que puede ser una profesión como la nuestra. No está mal en tiempos tan complicados como los que vivimos. ¡Enhorabuena a la Escuela y a la Delegación de Alumnos por esta iniciativa! Seguro que al año que viene vendrán mejores diseños, pues los equipos vendrán con la lección aprendida. Os dejo algunas fotografías y vídeos del evento (agradezco a la profesora María José Pelufo algunas de las fotografía, otras son mías).
Puente de vigas artesa prefabricadas. Fuente: Pacadar
¿Cómo se pueden diseñar puentes pretensados prefabricados en vigas artesa haciendo que el consumo energético para su fabricación y puesta en obra sea el mínimo posible?
Highlights
An automated procedure for optimizing the design of structures is presented.
There is a parabolic relation between the span length and the minimum energy.
The energy reduction has an average cost impact of 3.23€ per square meter of deck.
Since both criteria are dependent, 1€ reduction is equivalent to 4 kW h saving.
Abstract
An automated procedure for optimizing the design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges is presented. The economic cost and the embodied energy are selected as the objective functions based on production materials, transport and placement. Heuristic optimization is used to search for the best geometry, the concrete type, the prestressing steel, and the reinforcement for the slab and the beam. The results for both objectives provide improved opportunities to learn about low-energy designs. The most influential variables for the energy efficiency goal are analyzed. The relationship between the span length and the embodied energy is described by a good parabolic fit for both optimization criteria. The findings indicate that the objectives do not exhibit conflicting behavior, and also that optimum energy designs are close to the optimum cost designs. The analysis also revealed that a reduction by 1 Euro can save up to 4 kWh. It is recommended to reduce the reinforcement in the slab as well as increase the volume of concrete in both slab and beams in order to achieve higher energy efficiency. It is also worth noting that web inclination angle should be increased when the depth increases for longer span lengths to maintain the optimum slab span lengths in the transverse direction.
Keywords
Heuristic optimization;
energy savings;
sustainable construction;
precast-prestressed concrete structures
Referencia:
MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V. (2016). Structural design of precast-prestressed concrete U-beam road bridges based on embodied energy.Journal of Cleaner Production, 120:231-240. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.02.024(link)
