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Diseño sostenible de los cimientos de los aerogeneradores terrestres

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Physics: Conference Series, referente a la comunicación que presentamos en la WindEurope Annual Event 2024 en Bilbao. El estudio se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El documento evalúa la sostenibilidad de los cimientos de los aerogeneradores utilizando un enfoque holístico, comparando diferentes alternativas concretas en función de los impactos del ciclo de vida y empleando un modelo de toma de decisiones multicriterio. Cuantifica la sostenibilidad y clasifica el hormigón con escorias de alto horno como el más sostenible, seguido del hormigón convencional y las cenizas volantes, y proporciona una metodología para la optimización del diseño con una perspectiva sostenible.

Las conclusiones más importantes de este trabajo son las siguientes:

  • El estudio concluye que la alternativa del hormigón con escorias molidas de alto horno (GBFS) demuestra índices de sostenibilidad más altos en comparación con el hormigón convencional (CONV) y el hormigón con cenizas volantes (FA) para cimentaciones de aerogeneradores.
  • El GBFS supera al CONV y al FA en términos de impacto ambiental, mientras que el CONV es más económico que el GBFS y el FA, y el GBFS muestra impactos sociales más destacados según los indicadores de los trabajadores.
  • El documento hace hincapié en la importancia de tener en cuenta simultáneamente las dimensiones económica, ambiental y social al optimizar el diseño, y destaca la necesidad de adoptar un enfoque holístico de la sostenibilidad en el diseño de las cimentaciones de las turbinas eólicas.

Abstract

Recently, wind power has emerged as a prominent contributor to electricity production. Minimizing the costs and maximizing the sustainability of wind energy is required to improve its competitiveness against other non-renewable energy sources. This communication offers a practical approach to assess the sustainability of wind turbine generator foundations from a 3-dimensional holistic point of view. Specifically, the main goal of this study is to analyse the life cycle impacts of one shallow foundation design by comparing three different concrete alternatives: conventional concrete, concrete with 66-80% of blast furnace slags and concrete with 20% fly ash, and then to apply a Multi-Criteria Decision-Making model based on TOPSIS method to evaluate and compare the resulting sustainability of each alternative considered. The study results in a methodology for quantifying sustainability rather than simply qualifying it. Therefore, with a sustainable perspective, this methodology can be employed for design optimization, such as geometry and materials. Specifically, in this study, concrete with blast furnace slags emerges as the top-ranked sustainable alternative, followed by conventional concrete in second place and the fly ash option in third position.

Reference:

MASANET, C.; NAVARRO, I.; COLLADO, M.; YEPES, V. (2024) Journal of Physics:Conference Series, 2745:012005. DOI:10.1088/1742-6596/2745/1/012005

Esta comunicación está en abierto, por lo que os la dejo para su descarga.

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Evaluación de la sostenibilidad de las técnicas de mejora del terreno

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Cleaner Production, revista de ELSEVIER indexada en el primer decil del JCR.

El terreno no siempre es adecuado o competente para soportar una cimentación superficial directa. En muchos casos, para evitar costosas cimentaciones profundas, está indicado sustituir, mejorar o reforzar dicho terreno. Este trabajo se centra en evaluar la contribución a la sostenibilidad entre diferentes técnicas de mejora del suelo y el resultado de su aplicación a la cimentación de una vivienda unifamiliar como alternativa a la construida. Se compara el rendimiento del ciclo de vida en materia de sostenibilidad entre el diseño de referencia (sin intervención), el relleno y la compactación del suelo, las columnas de suelo-cemento, la inclusión rígida de micropilotes y el clavado de viguetas prefabricadas. Para caracterizar la sostenibilidad, se propone un conjunto de 37 indicadores que integran los aspectos económicos o ambientales de cada alternativa de diseño y sus impactos sociales. Se obtiene un ranking de sostenibilidad para las diferentes alternativas basado en el método ELECTRE IS para la toma de decisiones multicriterio (MCDM). Se evalúa la sensibilidad de los resultados obtenidos frente a diferentes métodos MCDM (TOPSIS, COPRAS) y diferentes ponderaciones de criterios. La evaluación proporciona una visión transversal, comparando la capacidad y fiabilidad de cada técnica para priorizar la solución de consolidación del terreno que mejor contribuye a la sostenibilidad en el diseño de la subestructura de un edificio.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Podéis leer una versión preliminar el artículo en la siguiente dirección: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131463

Highlights

  • Evaluation of soil consolidation techniques for a single-family house’s foundation.
  • A deep foundation is compared to four alternatives that consider soil improvement.
  • 37 indicators characterize the sustainability of substructure in residential buildings.
  • The aggregation of the different sustainability criteria is applied in 3 MCDM methods.
  • Nailing precast joists into the ground achieves the best sustainability result.

Abstract

The soil is not always suitable or competent to support a direct shallow foundation in construction. In many cases, to avoid costly deep foundations, it is indicated to replace, improve, or reinforce such soil. This paper focuses on evaluating the contribution to sustainability between different soil improvement techniques and the outcome of their application to the foundation of a single-family house as an alternative to the one built. The life-cycle performance in sustainability is compared between the baseline design (without intervention), backfilling and soil compaction, soil-cement columns, rigid inclusion of micropiles, and nailing of precast joists. To characterize sustainability, a set of 37 indicators is proposed that integrate the economic or environmental aspects of each design alternative and its social impacts. A sustainability ranking is obtained for the different alternatives based on the ELECTRE IS method for multi-criteria decision-making (MCDM). The sensitivity of the obtained results is evaluated against different MCDM methods (TOPSIS, COPRAS) and different criteria weights. The evaluation provides a cross-cutting view, comparing the ability and reliability of each technique to prioritize the ground consolidation solution that best contributes to the sustainability in the design of a building’s substructure.

Keywords

Sustainability; Construction; Multi-criteria decision analysis; Life cycle assessment; Modern methods of construction; Soil improvement; Foundations; ELECTRE IS; TOPSIS; COPRAS

Reference:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2022). Evaluating the sustainability of soil improvement techniques in foundation substructures. Journal of Cleaner Production, 351: 131463. DOI:10.1016/j.jclepro.2022.131463

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Optimización de la cimentación de un aerogenerador mediante metamodelos

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Structural and Multidisciplinary Optimization, revista de ELSEVIER indexada en el primer decil del JCR.

En este trabajo se estudia el potencial del metamodelado de kriging para optimizar el diseño estructural con múltiples objetivos mediante el uso de software de análisis de elementos finitos y normas de diseño. Se propone un método que incluye la sostenibilidad y la constructibilidad, y se aplica a un caso de cimentaciones de hormigón armado para aerogeneradores de un gran proyecto de parque eólico sueco. Se realizan análisis de sensibilidad para investigar la influencia del factor de penalización aplicado a las soluciones no viables y el tamaño de la muestra inicial generada por el muestreo de hipercubos latinos. A continuación, se realiza una optimización multiobjetivo para obtener soluciones óptimas para diferentes combinaciones de pesos para los cuatro objetivos considerados. Los resultados indican que los diseños obtenidos mediante kriging a partir de muestras de 20 superan a los mejores diseños de las muestras de 1000. Las soluciones óptimas obtenidas por el método propuesto tienen un impacto de sostenibilidad entre un 8 y un 15% menor que los desarrollados por métodos tradicionales.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

El artículo lo podéis descargar GRATUITAMENTE por tener acceso libre: https://link.springer.com/article/10.1007/s00158-021-03154-0

Abstract:

In this work, we study the potential of using kriging metamodelling to perform multi-objective structural design optimization using finite element analysis software and design standards while keeping the computational efforts low. A method is proposed, which includes sustainability and buildability objectives, and it is applied to a case study of reinforced concrete foundations for wind turbines based on data from a large Swedish wind farm project. Sensitivity analyses are conducted to investigate the influence of the penalty factor applied to unfeasible solutions and the size of the initial sample generated by Latin hypercube sampling. Multi-objective optimization is then performed to obtain the optimum designs for different weight combinations for the four objectives considered. Results show that the kriging-obtained designs from samples of 20 designs outperform the best designs in the samples of 1000 designs. The optimum designs obtained by the proposed method have a sustainability impact 8–15% lower than the designs developed by traditional methods.

Keywords:

Multidisciplinary design optimization; Structural design; Kriging surrogate model; Reinforced concrete structures; Multi-criteria decision making; Parametric design

Reference:

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

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