Optimización heurística de un nuevo tipo de cercha pretensada

Acaban de publicarnos un artículo en Materials, revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este caso se ha optimizado, mediante un algoritmo de optimización heurística, un nuevo tipo de cercha metálica pretensada. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. En este caso, se trata de una colaboración entre nuestro grupo de investigación e investigadores de Georgia.

Este artículo presenta nuevos enfoques para el cálculo, el diseño y la optimización de cerchas pretensadas con un elemento de unión. Los sistemas estructurales con grandes luces, como cerchas, vigas, pórticos, etc., están sometidos a un riesgo considerable de pérdida de capacidad de carga debido a los diferentes tipos de cargas utilizadas. Algunos métodos de diseño tradicionales definen los valores del pretensado en el elemento de unión y las fuerzas internas en los elementos de la celosía para evitar esta pérdida de capacidad de carga. Sin embargo, la precisión y los límites de la determinación de las fuerzas no son necesariamente conocidos. Los autores proponen un nuevo tipo de celosía pretensada y algunos nuevos enfoques en el proceso de diseño y cálculo para resolver estos inconvenientes. Los principales objetivos del estudio fueron diseñar una innovadora y nueva forma geométrica de celosía arqueada pretensada, que permite el desarrollo de una fuerza de pretensado de alto valor, para optimizar una nueva celosía para reducir el peso propio, aumentando la capacidad de carga en comparación con sus análogos. Durante el estudio se empleó el recocido simulado. Un nuevo avance en la optimización de la celosía arqueada pretensada sugerido por los autores reduce el peso propio y mejora la capacidad de carga de la celosía entre un 8 y un 17%, dependiendo de la luz.

Abstract:

This paper represents new approaches for calculating, designing, and optimizing prestressed arched trusses with a tie member. Structural systems with long spans, such as trusses, beams, frames, etc., are subjected to a considerable/substantial risk of losing load-carrying capacity because of the different types of loads used. Some traditional design methods define the values of prestressing force in the tie member and internal forces in the truss elements to avoid this load capacity loss. However, the accuracy and limits of the determination of the forces are not necessarily known. The authors offer a new type of prestressed arched truss and some new approaches in the design and calculation process to solve these disadvantages. The study’s main objectives were to design an innovative and new geometric form of prestressed arched truss, which allows the development of high-value prestressing force, to optimize a new truss for reducing self-weight, increasing load-carrying capacity compared to its analogs. The force, stiffness matrix, and simulated annealing methods were used during the study. A new advance to the optimization of prestressed arched truss suggested by the authors reduces the self-weight and improves the load capacity of the truss by 8–17%, depending on the span.

Keywords:

Prestressed truss; stiffness matrix method; tensile element; compressed element; optimization; simulated annealing.

Reference:

PARTSKHALADZE, G.; ALCALÁ, J.; MEDZMARIASHVILI, E.; CHAVLESHVILI, G.; SURGULADZE, B., I.; YEPES, V. (2022). Heuristic Optimization of a New Type Prestressed Arched Truss. Materials, 15(22): 8144. DOI:10.3390/ma15228144

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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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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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Mejora del bienestar social mediante la planificación del mantenimiento de las infraestructuras públicas

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Structure and Infrastructure Engineering (revista indexada en el JCR) sobre la mejora del bienestar social que puede provocar la planificación del mantenimiento de las infraestructuras públicas. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La priorización del mantenimiento de los equipamientos públicos es una tarea necesaria pero compleja debido a la necesidad de considerar tanto criterios físicos como socioeconómicos. Este estudio aborda este problema cuantificando la mejora en la prestación de los beneficios sociales que el mantenimiento correctivo de los equipamientos públicos de una zona urbana podría producir. A partir de ahí, se propone un marco de decisión para diseñar y programar planes de mantenimiento correctivo a escala municipal. La metodología integra la evaluación multicriterio con un método analítico para evaluar la contribución de los equipamientos públicos de una zona a su desarrollo urbano sostenible en función de su tipo de infraestructura social y su estado de mantenimiento. El marco de decisión se implementa como un software para facilitar su aplicación a un caso de estudio, consistente en la construcción de estrategias de regeneración urbana alineadas con las directrices gubernamentales. Los resultados revelan que la toma de decisiones es más eficiente cuando se considera el tipo de infraestructura social de las instalaciones. Además, una priorización rentable de las medidas correctoras arroja mejores resultados que el descuido de la economía.

Abstract:

The prioritisation of public facilities’ maintenance is a necessary but complex task due to the need to consider both physical and socio-economic criteria. This study addresses this problem by quantifying the improvement in the delivery of social benefits that the corrective maintenance of an urban area’s public facilities could yield. Based on this, a decision framework is proposed to design and schedule corrective maintenance plans at a municipal scale. The methodology integrates multi-criteria assessment with an analytical method for evaluating the contribution of an area’s public facilities to its sustainable urban development based on their type of social infrastructure and their maintenance condition. The decision framework is implemented as software to facilitate its application to a case study, building urban regeneration strategies aligned with governmental guidelines. The results revealed that decision-making is more efficient when considering the facilities’ type of social infrastructure. In addition, a cost-efficient prioritisation of corrective measures yields better results than neglecting the economy.

Keywords:

Corrective maintenance; facility management; financial planning; maintenance strategies; portfolio prioritisation; social infrastructures; sustainable urban development; urban strategic planning.

Reference:

SALAS, J.; YEPES, V. (2022). Improved delivery of social benefits through the maintenance planning of public assets. Structure and Infrastructure Engineering, DOI:10.1080/15732479.2022.2121844

El artículo lo podéis localizar en el siguiente enlace: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15732479.2022.2121844

Rendimiento de los métodos de detección de daños estructurales basados en la función de respuesta en frecuencia y la densidad espectral de potencia

Acaban de publicarnos un artículo en DYNA, revista indexada en el JCR. Se trata de comparar el rendimiento de los métodos de detección de daños estructurales basados en la función de respuesta en frecuencia y la densidad espectral de potencia. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Los recientes sucesos catastróficos han despertado un gran interés en la comunidad científica en relación con la evaluación y predicción de la respuesta estructural a lo largo del ciclo de vida de las infraestructuras. Se están realizando esfuerzos para desarrollar sistemas adecuados de monitorización de las estructuras que ayuden a prevenir futuras pérdidas de vidas humanas y económicas. Aquí se presentan dos métodos no destructivos de detección de daños: el basado en la función de respuesta en frecuencia y el basado en la función de densidad espectral. El desempeño en la detección de daños de ambos métodos se compara a través de un caso de estudio concreto, en el que se analizan diferentes escenarios de daños en un puente en celosía 2D. La fiabilidad de cada método se estudia en términos de diferentes errores de predicción. Los resultados numéricos muestran que el método PSD para la detección de daños en una estructura de puente en celosía de acero proporciona resultados más precisos y robustos en comparación con el basado en el método FRF.

Abstract:

Recent catastrophic events have aroused great interest in the scientific community regarding evaluating and predicting the structural response along the life cycle of infrastructures. Efforts are put into developing adequate health monitoring systems to help prevent future human life and economic losses. Here, two non-destructive damage detection methods are presented: the Frequency Response Function-based and the Spectral Density Function-based methods. The damage detection performance of both methods is compared through a particular case study, where different damage scenarios are analyzed in a 2D truss bridge. The reliability of each method is studied in terms of different prediction errors. Numerical results show that the PSD method for damage detection on a steel truss bridge structure provides more accurate and robust results when compared to that based on FRF.

Keywords:

Structural Health Monitoring, Power Spectral Density Function, Frequency Response Function, Construction, Structures, Damage detection, Non-destructive

Reference:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2022). Performance comparison of structural damage detection methods based on Frequency Response Function and Power Spectral Density. DYNA, 97(5):493-500. DOI:10.6036/10504

Como el artículo se encuentra en abierto, os paso el documento para que os lo podáis descargar.

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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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Machine learning aplicado a la construcción: Un análisis de los avances científicos y del futuro próximo

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Automation in Construction, que es la revista indexada de mayor impacto JCR en el ámbito de la ingeniería civil. En este caso se ha realizado un análisis bibliométrico del estado del arte y de las líneas de investigación futura del Machine Learning en el ámbito de la construcción. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. En este caso, se trata de una colaboración con grupos de investigación de Chile, Brasil y España.

El artículo lo puedes descargar GRATUITAMENTE hasta el 11 de octubre de 2022 en el siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/c/1fdIq3IhXMtgv2

Los complejos problemas industriales, junto con la disponibilidad de una infraestructura informática más robusta, presentan muchos retos y oportunidades para el aprendizaje automático (Machine Learning, ML) en la industria de la construcción. Este artículo revisa las técnicas de ML aplicadas a la construcción, principalmente para identificar las áreas de aplicación y la proyección futura en esta industria. Se analizaron estudios desde 2015 hasta 2022 para evaluar las últimas aplicaciones de ML en la construcción. Se propuso una metodología que identifica automáticamente los temas a través del análisis de los resúmenes utilizando la técnica de Representaciones Codificadoras Bidireccionales a partir de Transformadores para posteriormente seleccionar manualmente los temas principales. Hemos identificado y analizado categorías relevantes de aplicaciones de aprendizaje automático en la construcción, incluyendo aplicaciones en tecnología del hormigón, diseño de muros de contención, ingeniería de pavimentos, construcción de túneles y gestión de la construcción. Se discutieron múltiples técnicas, incluyendo varios algoritmos de ML supervisado, profundo y evolutivo. Este estudio de revisión proporciona directrices futuras a los investigadores en relación con las aplicaciones de ML en la construcción.

Highlights:

  • State-of-the-art developed using natural language processing techniques.
  • Topics analyzed and validated by experts for consistency and relevance.
  • Topics deepened through application of bigram analysis and clustering in addition to traditional bibliographic analysis.
  • Identified five large areas, and detailed two to three groups of relevant lines of research.

Abstract:

Complex industrial problems coupled with the availability of a more robust computing infrastructure present many challenges and opportunities for machine learning (ML) in the construction industry. This paper reviews the ML techniques applied to the construction industry, mainly to identify areas of application and future projection in this industry. Studies from 2015 to 2022 were analyzed to assess the latest applications of ML techniques in construction. A methodology was proposed that automatically identifies topics through the analysis of abstracts using the Bidirectional Encoder Representations from Transformers technique to select main topics manually subsequently. Relevant categories of machine learning applications in construction were identified and analyzed, including applications in concrete technology, retaining wall design, pavement engineering, tunneling, and construction management. Multiple techniques were discussed, including various supervised, deep, and evolutionary ML algorithms. This review study provides future guidelines to researchers regarding ML applications in construction.

Keywords:

Machine learning; BERT; Construction; Concretes; Retaining walls; Tunnels; Pavements; Construction management

Reference:

GARCÍA, J.; VILLAVICENCIO, G.; ALTIMIRAS, F.; CRAWFORD, B.; SOTO, R.; MINTATOGAWA, V.; FRANCO, M.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; YEPES, V. (2022). Machine learning techniques applied to construction: A hybrid bibliometric analysis of advances and future directions. Automation in Construction, 142:104532. DOI:10.1016/j.autcon.2022.104532