Aplicación de la metodología de la superficie de respuesta en un curso de postgrado de optimización

Este trabajo describe la introducción de la metodología de superficie de respuesta en un curso de postgrado. Este caso se realiza en la asignatura de “Modelos predictivos y de optimización de estructuras de hormigón“. Esta asignatura se enmarca en el Plan de Estudios del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón. Los estudiantes aprenden aquí conceptos como la optimización de estructuras mediante algoritmos heurísticos, la toma de decisiones multicriterio, técnicas de diseño de experimentos y metamodelos como la superficie de respuesta para obtener resultados óptimos. En este caso de estudio, el objetivo es obtener una solución óptima de un muro de hormigón armado, utilizando las emisiones de CO2 como función objetivo para reducir su impacto. Para aplicar esta metodología, los estudiantes aprovechan programas comerciales. Por un lado, para realizar el análisis estadístico que permita obtener la superficie de respuesta se utiliza Minitab. Por otro lado, los estudiantes comprueban la resistencia de la estructura utilizando el software de cálculo estructural Cype. Como resultado de esta metodología se consigue que los estudiantes alcancen un mejor nivel en competencias transversales, como el diseño y el proyecto, el pensamiento crítico, el análisis y la resolución de problemas o el uso de software específico. En este trabajo se presentan futuros estudios de investigación relacionados con el uso de técnicas de optimización de estructuras por parte de los estudiantes aplicando otras técnicas de optimización diferentes.

Referencia:

YEPES, V.; MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V. (2021). Application of the response surface methodology in a postgraduate optimization course. 15th annual International Technology, Education and Development Conference (INTED 2021), 8th-9th March, 2021, pp. 869-878, Valencia, Spain. ISBN: 978-84-09-27666-0

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Optimización energética de muros de contrafuertes

Acaban de publicarnos un artículo en la revista científica Applied Sciences (indexada en el JCR, Q2) un artículo que trata sobre el uso de distintas técnicas heurísticas para optimizar una pasarela de sección mixta hormigón-acero. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La importancia de la construcción en el consumo de recursos naturales está llevando a los profesionales del diseño estructural a crear diseños de estructuras más eficientes que reduzcan tanto las emisiones como la energía consumida. En este trabajo se presenta un proceso automatizado para obtener diseños óptimos energéticos de muros de contrafuertes. Se consideraron dos funciones objetivo para comparar la diferencia entre una optimización de costes y una optimización de energía incorporada. Para alcanzar el mejor diseño para cada criterio de optimización, se ajustaron los parámetros del algoritmo. Este estudio utilizó un algoritmo híbrido de optimización simulada para obtener los valores de la geometría, las resistencias del hormigón y las cantidades de hormigón y materiales. La relación entre todas las variables geométricas y la altura del muro se obtuvo ajustando las funciones lineales y parabólicas. Se encontró que la optimización de los costes y de la energía están vinculados. Una reducción de costes de 1 euro lleva asociada una reducción del consumo energético de 4,54 kWh. Para conseguir un diseño de baja energía, se recomienda reducir la distancia entre los contrafuertes con respecto a la optimización económica. Esta disminución permite reducir los refuerzos necesarios para resistir la flexión del alzado. La diferencia entre los resultados de las variables geométricas de la cimentación para los dos objetivos de optimización apenas revela variaciones entre ellos. Este trabajo proporciona a los técnicos algunas reglas prácticas de diseño óptimo. Además, compara los diseños obtenidos mediante estos dos objetivos de optimización con las recomendaciones de diseño tradicionales.

El artículo se ha publicado en abierto, y se puede descargar en el siguiente enlace: https://www.mdpi.com/2076-3417/11/4/1800

ABSTRACT:

The importance of construction in the consumption of natural resources is leading structural design professionals to create more efficient structure designs that reduce emissions as well as the energy consumed. This paper presents an automated process to obtain low embodied energy buttressed earth-retaining wall optimum designs. Two objective functions were considered to compare the difference between a cost optimization and an embodied energy optimization. To reach the best design for every optimization criterion, a tuning of the algorithm parameters was carried out. This study used a hybrid simulated optimization algorithm to obtain the values of the geometry, the concrete resistances, and the amounts of concrete and materials to obtain an optimum buttressed earth-retaining wall low embodied energy design. The relation between all the geometric variables and the wall height was obtained by adjusting the linear and parabolic functions. A relationship was found between the two optimization criteria, and it can be concluded that cost and energy optimization are linked. This allows us to state that a cost reduction of €1 has an associated energy consumption reduction of 4.54 kWh. To achieve a low embodied energy design, it is recommended to reduce the distance between buttresses with respect to economic optimization. This decrease allows a reduction in the reinforcing steel needed to resist stem bending. The difference between the results of the geometric variables of the foundation for the two-optimization objectives reveals hardly any variation between them. This work gives technicians some rules to get optimum cost and embodied energy design. Furthermore, it compares designs obtained through these two optimization objectives with traditional design recommendations.

Keywords:

Heuristic optimization; energy savings; sustainable construction; buttressed earth-retaining walls

Reference:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA, J.; YEPES, V. (2021). Embodied energy optimization of buttressed earth-retaining walls with hybrid simulated annealing. Applied Sciences, 11(4):1800. DOI:10.3390/app11041800

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Zapata continua bajo muro

Figura 1. Detalle de zapata corrida bajo muro. Imagen: V. Yepes

La zapata continua o corrida bajo muro presenta una gran longitud comparada con las otras dimensiones (ver Figuras 1 y 2). Suele usarse como base de muros portantes y cimentación de elementos lineales. Se busca la homogeneidad en los asientos y la reducción de las tensiones en el terreno frente a una solución por zapatas aisladas. Además, presenta una mayor facilidad constructiva.

Figura 2. Zapata corrida bajo muro

La cimentación superficial corrida para muros portantes aunque puede ser de mampostería (Figura 43) o de hormigón en masa, o hoy en día se construyen de hormigón armado (Figura 3). El canto mínimo en el borde es de 40 cm en zapatas de hormigón en masa y 30 cm si son de hormigón armado. En época calurosa se disponen juntas de hormigonado separadas 16 m si el clima es seco, y de 20 m si es húmedo. En época fría, dichas distancias serán de 20 y 24 m, respectivamente. No debe olvidarse nunca el llamado hormigón de limpieza, que tiene como objetivos evitar la desecación del hormigón estructural durante su vertido así como una posible contaminación de éste durante las primeras horas de su hormigonado. Suelen bastar unos 10 cm de este hormigón antes de empezar el ferrallado de la cimentación.

Figura 3. Zapata corrida de mampostería para muros portantes. Fuente: http://www.aguascalientes.gob.mx/

Os dejo a continuación un vídeo donde podréis ver el procedimiento constructivo de un muro de hormigón con su correspondiente zapata. Como curiosidad podéis ver que no se cumplen las medidas de seguridad en algunos casos, así como errores en la ejecución. Podéis hacer una lista.

Referencia:

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Comparativa medioambiental de muros atendiendo a su ciclo completo de vida

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Journal of Cleaner Production (primer decil del JCR), de la editorial ELSEVIER, en la que analizamos una de las construcciones más habituales en la ingeniería civil, como son las estructuras de contención de tierras.

Se ha realizado para ello un análisis de ciclo de vida completo de cuatro tipos de muros: muros de hormigón armado, de hormigón en masa, de gaviones y de escollera. Además se ha realizado un estudio paramétrico para averiguar hasta qué altura de tierras es mejor una u otra tipología. Las conclusiones obtenidas no son evidentes a priori. Podéis verlas en el resumen que os paso a continuación.

Además, la editorial ELSEVIER nos permite la distribución gratuita del artículo hasta el 29 de junio de 2018. Por tanto, os paso el enlace para que os podáis descargar este artículo: https://authors.elsevier.com/a/1X15O3QCo9R1sI

Referencia:

PONS, J.J.; PENADÉS-PLÀ, V.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2018). Life cycle assessment of earth-retaining walls: An environmental comparison. Journal of Cleaner Production, 192:411-420.  https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.04.268

Abstract:

Earth-retaining walls are one of the most common structures in civil engineering, a discipline of the construction sector, which is known to produce one of the highest environmental impacts. Therefore, developing cleaner design and construction practices could contribute to a more sustainable future for our planet. To make a step towards this goal, this study comprises the life cycle assessment (LCA) of the four most common earth-retaining walls built between 1 to 6 m of height: cantilever walls, gravity walls, masonry walls and gabion walls to obtain the best solutions for the environment. To assess the environmental impacts caused throughout their whole life-cycle including the production, construction, use and end of life phases, we used the OpenLCA software, the ecoinvent 3.3 database and the ReCiPe (H) method. The associated uncertainties have been considered and the results are provided in both midpoint and endpoint approaches. Our findings show that gabion and masonry walls produce the lowest global impact. On the one hand, gabion walls cause less damage to human health but on the other hand, masonry walls cause less damage to the ecosystems. Furthermore, gravity walls produce similar impacts to gabion and masonry walls between 1 and 3 m of height as well as fewer impacts than cantilever walls for a height of 4 m. In conclusion, gabion and masonry walls are preferable to concrete walls for heights between 1 and 6 m and cantilever walls should be used over gravity walls for greater heights than 4.5 m.

Keywords:

Life cycle assessment; Sustainability; Earth-retaining wall; ReCiPe

Highlights:

  • Four earth-retaining walls are compared to obtain the best environmental solution.
  • The OpenLCA software, the Ecoinvent 3.3 database and the ReCiPe (H) method are used.
  • Gabion walls cause less damage to human health than masonry walls.
  • Masonry walls cause less damage to the ecosystems than gabion walls.
  • Mass concrete walls are cleaner than reinforced ones until 4.5 m of height.

 

 

Fallo por desplazamiento en muro de contención

British Geological Survey
British Geological Survey

A continuación os dejo un vídeo muy didáctico donde se explica un fallo muy habitual en muros de contención. En el vídeo se puede ver el caso típico de un muro construido para soportar un suelo arenoso seco sobre el que existen construcciones previas. Este caso es muy habitual en carreteras o vías férreas donde se construye un muro para soportar una excavación. Si el muro se desplaza, se puede observar claramente lo que ocurre en superficie y con las edificaciones existentes.

El vídeo lo ha elaborado el British Geological Survey y podéis encontrar más información en su página web: www.bgs.ac.uk

Referencia:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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