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Mejora del diseño estructural de cerchas metálicas pretensadas mediante optimización multiobjetivo y toma de decisión multicriterio

Acaban de publicarnos un artículo en Mathematics, una revista indexada en el primer decil del JCR. El documento Mejora del diseño estructural de cerchas metálicas pretensadas mediante optimización multiobjetivo y MCDM. El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación RESILIFE, que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Estas son las principales contribuciones descritas en el artículo:

  • Marco integrado para la optimización: La investigación presenta un marco integral que combina algoritmos de optimización multiobjetivo (MOO) y técnicas de toma de decisiones multicriterio (MCDM). Este marco no solo es aplicable a las cerchas pretensadas, sino también a diversos diseños estructurales, lo que mejora la toma de decisiones en ingeniería estructural.
  • Algoritmos de optimización avanzados: el estudio emplea tres algoritmos MOO avanzados (NSGA-III, CTAEA y SMS-EMAO) para optimizar el diseño estructural de las cerchas arqueadas pretensadas. Este enfoque permite evaluar de manera sólida los diferentes objetivos del diseño, como la minimización del peso, el rendimiento de carga y la capacidad de construcción.
  • Métricas de evaluación integrales: el documento incorpora una serie de visualizaciones analíticas y métricas de evaluación exhaustivas para comprender la variabilidad de las variables en el contexto de Pareto. Esto ayuda a ilustrar las ventajas y desventajas de las distintas estrategias de optimización y a proporcionar una visión más clara del proceso de diseño.
  • Evaluación del rendimiento de los algoritmos: la investigación evalúa el rendimiento de los algoritmos de optimización mediante métricas de distancia generacional (GD) e inversa (IGD). Los resultados indican que el NSGA-III supera a los demás algoritmos en términos de convergencia hacia la frontera de Pareto, lo que proporciona información valiosa sobre la eficacia de cada uno.
  • Validación estadística de los resultados: el artículo emplea la prueba de Kruskal-Wallis para evaluar las diferencias en el rendimiento entre los algoritmos. Esto aporta credibilidad a los hallazgos y resalta las ventajas y limitaciones de cada enfoque de optimización, lo cual resulta crucial para futuras aplicaciones de optimización estructural.
  • Implicaciones prácticas para la construcción: Las innovaciones presentadas en el documento mejoran el rendimiento estructural, reducen el consumo de recursos y aumentan la capacidad de construcción y la seguridad. Estas contribuciones demuestran las implicaciones prácticas para una construcción más eficiente y sostenible y abordan la complejidad de los métodos de diseño tradicionales.

En resumen, este documento promueve significativamente la comprensión y la aplicación de las cerchas pretensadas al proporcionar un marco sólido para la optimización y la toma de decisiones, junto con información práctica para mejorar las prácticas de construcción.

Abstract:

The structural design of prestressed arched trusses poses a complex challenge due to the need to balance multiple conflicting objectives, including structural performance, weight, and constructability. This complexity is further compounded by the interdependent nature of the structural elements, which necessitates a comprehensive optimization approach. Addressing this challenge is crucial for advancing construction practices and improving the efficiency and safety of structural designs. The integration of advanced optimization algorithms and decision-making techniques offers a promising avenue for enhancing the design process of prestressed arched trusses. This study proposes the use of three advanced multi-objective optimization algorithms: NSGA-III, CTAEA, and SMS-EMOA, to optimize the structural design of prestressed arched trusses. The performance of these algorithms was evaluated using Generational Distance and Inverted Generational Distance metrics. Additionally, the non-dominated optimal designs generated by these algorithms were assessed and ranked using multiple Multi-Criteria Decision-Making techniques, including SAW, FUCA, TOPSIS, PROMETHEE, and VIKOR. This approach enabled a robust comparison of the algorithms and provided insights into their effectiveness in balancing the various design objectives. The results of the study indicate that NSGA-III exhibited superior performance with a GD value of 0.215, reflecting a closer proximity of its solutions to the Pareto front, and an IGD value of 0.329, indicating a well-distributed set of solutions across the Pareto front. In comparison, CTAEA and SMS-EMOA showed higher GD values of 0.326 and 0.436, respectively, suggesting less convergence to the Pareto front. However, SMS-EMOA demonstrated a balanced performance in terms of constructability and structural weight, with an IGD value of 0.434. The statistical significance of these differences was confirmed by the Kruskal-Wallis test, with p-values of 2.50×10−15 for GD and 5.15×10−06 for IGD. These findings underscore the advantages and limitations of each algorithm, providing valuable insights for future applications in structural optimization.

Keywords:

Multi-objective optimization; multi-criteria decision-making; NSGA-III; CTAEA; SMS-EMOA; SAW; FUCA; TOPSIS; PROMETHEE; VIKOR

Reference:

RUIZ-VÉLEZ, A.; GARCÍA, J.; PARTSKHALADZE, G.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Enhanced Structural Design of Prestressed Arched Trusses through Multi-Objective Optimization and MCDM. Mathematics, 12(16), 2567. DOI:10.3390/math12162567

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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 en el 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 distintos tipos de cargas aplicadas. 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%, según la luz.

Abstract:

This paper represents new approaches for calculating, designing, and optimising prestressed arched trusses with a tie member. Structural systems with long spans, such as trusses, beams, and frames, are subject to a substantial risk of losing load-carrying capacity due to the types of loads applied. Some traditional design methods define the prestressing force in the tie member and the internal forces in the truss elements to avoid this loss of load capacity. However, the accuracy and limits of the determination of the forces are not necessarily known. The authors propose a new prestressed arched truss and new approaches to the design and calculation processes to address these disadvantages. The study’s main objectives were to design an innovative geometric form of a prestressed arched truss that allows the development of high-value prestressing force, to optimise a new truss for reducing self-weight and increasing load-carrying capacity compared to its analogues. The force, stiffness matrix, and simulated annealing methods were used during the study. A new optimisation approach for prestressed arched trusses, proposed by the authors, reduces the self-weight and improves the truss’s load capacity by 8–17%, depending on the span.

Keywords:

Prestressed truss; stiffness matrix method; tensile element; compressed element; optimisation; 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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