Diseño óptimo de depósitos de agua elevados de hormigón armado bajo cargas sísmicas

Acaban de publicarnos un artículo en Applied Sciences, revista indexada en el JCR. Se trata de la optimización heurística de un depósito elevado de agua de hormigón armado bajo acciones sísmicas.  El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Este artículo trata del diseño sísmico de las columnas de 35 depósitos elevados de almacenamiento de agua de hormigón armado. Los depósitos constan de un tronco cónico superior, una columna de sección cuadrada hueca variable y una cimentación superficial sobre una capa de arena. Las cinco alturas de columna consideradas son 20, 25, 30, 35 y 40 m. Los cinco depósitos se someten a siete grados de carga sísmica caracterizados por la aceleración pico del suelo de referencia en el Eurocódigo 8. Los depósitos elevados se diseñan según las prescripciones completas del Eurocódigo 2, el Eurocódigo 8 y el Código Estructural español. Esto incluye las cargas variables por sismicidad, viento, nieve, etc., junto con la acción del peso propio y las cargas muertas. El método de diseño de optimización considerado es una variante del algoritmo del solterón, un método de aceptación de umbral adaptativo con un movimiento de vecindad basado en el operador de mutación de los algoritmos genéticos. Los resultados de las columnas muestran la alta no linealidad del problema, pues las fuerzas sísmicas horizontales dependen de la rigidez y la altura de las columnas. Las principales características de los depósitos optimizados dan una orientación para el diseño práctico de este tipo de depósitos de agua elevados de hormigón armado.

El artículo se puede descargar, pues está en abierto, en la siguiente dirección: https://www.mdpi.com/2076-3417/12/11/5635

Abstract:

This paper deals with the seismic column design of 35 elevated RC water storage tanks. Tanks comprise a top conic trunk reservoir, a column with variable hollow square cross-sections, and a shallow foundation on a sand layer. The five-column heights considered are 20, 25, 30, 35, and 40 m. The five tanks are subjected to seven degrees of seismic loading characterized by the reference peak ground acceleration in Eurocode 8. The elevated tanks are designed against the full prescriptions of Eurocode 2, Eurocode 8, and the Spaniard Structural Code of Practice. This includes variable loads for seismicity, wind, snow, etc., together with the action of self-weight and dead loads. The optimization design method considered is a variant of the old bachelor algorithm, an adaptive threshold acceptance method with a neighborhood move based on the mutation operator from genetic algorithms. Column results show the high nonlinearity of the problem since the horizontal seismic forces depend on the rigidity and height of the columns. The main features of the optimized tanks give guidance for the practical design of this kind of elevated RC water tank.

Keywords:

Concrete structures; economic optimization; elevated water tanks; old bachelor algorithm; seismic loading; structural design

Reference:

MARTÍNEZ-MARTÍN, F.J.; YEPES, V.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; HOSPITALER, A.; ALCALÁ, J. (2022). Optimization design of RC elevated water tanks under seismic loads. Applied Sciences, 12(11):5635. DOI:10.3390/app12115635

Os paso a continuación el artículo para que podáis consultarlo.

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Integración de la rehabilitación estructural de edificios en los entornos BIM

En este artículo continuamos la línea de investigación que está desarrollando nuestro grupo de investigación en relación con BIM. Se trata de un artículo que nos acaban de publicar en archiDOCT y que podéis encontrar también en este enlace.

BIM (Building Information Modeling) es una tecnología líder en la Industria de la Arquitectura, Ingeniería y Construcción (Industria AEC). La mayoría de profesionales están adoptando esta tecnología en su día a día, mejorando sus capacidades. Otra gran tendencia en la industria AEC es la rehabilitación de edificios fuera de uso o antiguos y su adaptación a las nuevas demandas. Últimamente, la renovación y rehabilitación de edificios ha producido más ingresos que la construcción de nuevos edificios en el mercado inmobiliario español. El uso de BIM para los edificios existentes combina las capacidades de gestión de datos de BIM con las tendencias económicas del sector dando a los profesionales nuevas herramientas para adaptar esos edificios. El refuerzo estructural puede ser necesario durante las rehabilitaciones por lo que se suele realizar un peritaje estructural.

En este trabajo, hemos creado una herramienta vinculada a Autodesk Revit que puede extraer los datos necesarios del modelo BIM y realizar una prueba de peritaje a una viga de hormigón. Utilizando BIM para este fin, se pueden utilizar los datos almacenados para determinar la necesidad de refuerzo estructural y ofrecer al profesional más control sobre el proyecto. El uso de esos datos acorta los plazos y evita errores y descuidos en el diseño. Como el modelo de información del edificio es una base de datos rica en información, puede proporcionar los datos necesarios para garantizar el análisis. Se realiza un estudio de caso que muestra las capacidades de la herramienta. La investigación contribuye a integrar la rehabilitación estructural en los entornos BIM reduciendo la redundancia en el software y unificando tanto el almacenamiento como el análisis de datos a través de la metodología BIM.

ABSTRACT:

Building Information Modelling (BIM) is a leading technology in the Architecture, Engineering and Construction Industry (AEC Industry) and nowadays is being adopted for most professionals and improving its capabilities. There is another big trend in the AEC Industries, the rehabilitation of unused or old buildings and its adaptation to the new demands. Lately, building renovation and rehabilitation have produced more income than the construction of new buildings in the Spanish housing market. The use of BIM for existing buildings combines the BIM data management abilities with the economic trends in the industry giving the professionals new tools to adapt those buildings. Structural reinforcement may be needed during the rehabilitations so structural expertise is usually performed. In this paper, we have created a tool linked to Autodesk Revit that can extract the necessary data from the BIM model and perform an expertise test through a concrete beam. By using BIM for this purpose, we can use the data stored in the BIM model to determine the necessity or not of structural reinforcement and give the professional more control over the project. The use of that stored data shortens the working time for the professional and avoids errors and oversights in the design. Since the building information model is a rich information database it can provide the necessary data to ensure the analysis. A case study is performed showing the capabilities of the tool. The research contributes to integrating structural rehabilitation into the BIM environments reducing the redundancy in software and unifying both, data storage and data analysis via the BIM methodology.

Keywords:

BIM; structural design; architectural risk; renovation; structural expertise; BPS tools.

Referencia:

FERNÁNDEZ-MORA, V.; YEPES, V. (2022). Structural Expertise Through BIM. ArchiDOCT, Vol.17.2, Issue 9(2).

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Toma de decisión multicriterio aplicada a la sostenibilidad de estructuras de edificios basados en métodos modernos de construcción (MMC)

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

Desde el establecimiento de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, ha surgido una gran preocupación sobre cómo disminuir los impactos que resultan de las actividades de construcción. En este contexto, los Métodos Modernos de Construcción (MMC) surgen como una poderosa forma de reducir la huella del ciclo de vida a través de la optimización del consumo de materiales. Este trabajo se centra en la evaluación de la sostenibilidad de diferentes técnicas MMC aplicadas a estructuras de hormigón de viviendas unifamiliares. Se compara el rendimiento del ciclo de vida en términos de sostenibilidad entre un diseño de referencia convencional, un diseño prefabricado, un diseño de losa ligera con discos huecos presurizados y un diseño basado en elementos estructurales de doble pared. La sostenibilidad se evalúa mediante un conjunto de 38 indicadores que abordan no solo la respuesta económica y medioambiental de los diseños, sino también sus impactos sociales. Se aplican cinco de las técnicas más conocidas de toma de decisiones con criterios múltiples (SAW, COPRAS, TOPSIS, VIKOR y MIVES) para derivar el rendimiento del ciclo de vida de cada diseño en una única puntuación de sostenibilidad. Dado que no hay consenso sobre qué método MCDM funciona mejor en las evaluaciones de sostenibilidad, se propone aquí un Índice Global de Sostenibilidad Estructural (GSSI) que combina y pondera los anteriores para ayudar al análisis de los resultados obtenidos. Los resultados muestran que la consideración de las tres dimensiones de la sostenibilidad conduce a diseños equilibrados cuya preferencia no tiene por qué coincidir con los derivados de cada enfoque unidimensional del ciclo de vida.

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 hasta el 28 de enero de 2022 en el siguiente enlace:

https://authors.elsevier.com/c/1eDIl3QCo9bRMh

Abstract

Since the establishment of the Sustainable Development Goals, great concern has arisen on how to diminish the impacts that result from construction activities. In such context, Modern Methods of Construction (MMC) rise as a powerful way to reduce life cycle impacts through optimizing the consumption of materials. This paper focuses on the sustainability assessment of different modern construction techniques applied to concrete structures of single-family houses. The life cycle performance in terms of sustainability is compared between a conventional reference design, a precast design, a lightweight slab design with pressurized hollow discs, and a design based on double-wall structural elements. The sustainability is assessed through a set of 38 indicators that address not only the economic and environmental response of the designs, but also their social impacts as well. Five of the best known Multi-Criteria Decision-Making (MCDM) techniques (SAW, COPRAS, TOPSIS, VIKOR and MIVES) are applied to derive the life-cycle performance of each design into a single sustainability score. Since there is no consensus on which MCDM method works best in sustainability assessments, a Global Structural Sustainability Index (GSSI) combining and weighting the above is proposed here to aid the analysis of the results obtained. The results show that consideration of the three dimensions of sustainability leads to balanced designs whose preference need not coincide with those derived from each one-dimensional life cycle approach.

Keywords:

Sustainability, Construction, Structural design, Life cycle cost, Life cycle assessment, Social life cycle, Multi-criteria decision-making, Modern methods of construction

Reference:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2022). Multi-criteria decision- making applied to the sustainability of building structures bases on Modern Methods of Construction. Journal of Cleaner Production, 330:129724. DOI:10.1016/j.jclepro.2021.129724

Técnicas de decisión multicriterio en la ingeniería civil. Estudio comparativo aplicado a la sostenibilidad de las estructuras

Figura. Modelo de estructura para una vivienda unifamiliar

Tradicionalmente, las carreras técnicas se han centrado en promover la funcionalidad y la durabilidad de los diseños orientando las capacidades de sus estudiantes hacia la optimización de los aspectos económicos. Los desafíos que han surgido recientemente en relación con el futuro del sector de la construcción y las nuevas ciudades requieren un cambio de paradigma en la enseñanza convencional de la ingeniería civil y la arquitectura. Las nuevas tendencias tendencias se han detectado en los programas de educación superior a través de la introducción de nuevos conceptos como el diseño sostenible. Según la UNESCO, “la educación para el desarrollo sostenible promueve competencias como el pensamiento crítico y la toma de decisiones de forma colaborativa”. En el curso de postgrado “Modelos predictivos y optimización de estructuras de hormigón”, impartido en el Máster Universitario de Ingeniería del Hormigón de la Universitat Politècnica de València, se instruye a los alumnos en metodologías de investigación que permiten evaluar la sostenibilidad a través de diferentes criterios múltiples técnicas de decisión en la selección de la mejor tipología estructural considerando aspectos económicos ambiental y social. En este trabajo se realiza un estudio comparativo y la aplicación de las diferentes herramientas impartidas en la asignatura para la toma de decisiones con criterios múltiples, a saber, SAW, COPRAS, TOPSIS, VIKOR, ELECTRE, MIVES así como AHP para las ponderaciones. La evaluación ofrece una visión transversal, con las características, fortalezas y debilidades de estas técnicas multicriterio técnicas multicriterio que se utilizan habitualmente en el ámbito de la sostenibilidad, aplicadas en este caso entre tres alternativas de diseño para la estructura de una vivienda unifamiliar.

Referencia:

YEPES, V.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J. (2021). Multi-criteria decision techniques in civil engineering education. Comparative study applied to the sustainability of structures. 15th annual International Technology, Education and Development Conference (INTED 2021), 8th-9th March, 2021, pp. 2564-2573, Valencia, Spain. ISBN: 978-84-09-27666-0

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Optimización del diseño robusto de puentes en cajón

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Mathematics,  revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este artículo tratamos de solucionar uno de los problemas que presentan las estructuras óptimas, que es su cercanía a los estados límite y demás restricciones. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación DIMALIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

En efecto, el diseño de una estructura se lleva a cabo generalmente según un enfoque determinista. Sin embargo, todos los problemas estructurales tienen asociados parámetros iniciales inciertos que pueden diferir del valor de diseño. Esto se vuelve importante cuando el objetivo es alcanzar estructuras optimizadas, pues una pequeña variación de estos parámetros inciertos iniciales puede tener una gran influencia en el comportamiento estructural. El objetivo de la optimización de un diseño robusto es obtener un diseño óptimo con la menor variación posible de las funciones objetivas. Para ello, es necesaria una optimización probabilística para obtener los parámetros estadísticos que representen el valor medio y la variación de la función objetivo considerada. Sin embargo, una de las desventajas del diseño robusto óptimo es su alto costo de cálculo. En el presente artículo, la optimización del diseño robusto se aplica al diseño de un puente peatonal continuo de sección en cajón  que sea óptimo en cuanto a su costo y robusto en cuanto a la estabilidad estructural. Además, se utiliza el muestreo de hipercubo latino y el metamodelo de kriging para hacer frente al alto costo computacional. Los resultados muestran que las principales variables que controlan el comportamiento estructural son la profundidad de la sección transversal y la resistencia a la compresión del hormigón y que se puede llegar a una solución de compromiso entre el coste óptimo y la robustez del diseño.

Abstract

The design of a structure is generally carried out according to a deterministic approach. However, all structural problems have associated initial uncertain parameters that can differ from the design value. This becomes important when the goal is to reach optimized structures, as a small variation of these initial uncertain parameters can have a big influence on the structural behavior. The objective of robust design optimization is to obtain an optimum design with the lowest possible variation of the objective functions. For this purpose, a probabilistic optimization is necessary to obtain the statistical parameters that represent the mean value and variation of the objective function considered. However, one of the disadvantages of the optimal robust design is its high computational cost. In this paper, robust design optimization is applied to design a continuous prestressed concrete box-girder pedestrian bridge that is optimum in terms of its cost and robust in terms of structural stability. Furthermore, Latin hypercube sampling and the kriging metamodel are used to deal with the high computational cost. Results show that the main variables that control the structural behavior are the depth of the cross-section and compressive strength of the concrete and that a compromise solution between the optimal cost and the robustness of the design can be reached.

Keywords

Robust design optimization; RDO; post-tensioned concrete; box-girder bridge; structural optimization; metamodel; kriging

Reference:

Penadés-Plà, V.; García-Segura, T.; Yepes, V. Robust Design Optimization for Low-Cost Concrete Box-Girder BridgeMathematics 20208, 398.

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Técnicas heurísticas para el diseño de pasarelas mixtas

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.

El objetivo de este trabajo ha sido aplicar técnicas de optimización heurística a un puente peatonal compuesto de hormigón y acero, modelado como una viga biapoyada. Se ha desarrollado un programa específico en Fortran, capaz de generar puentes peatonales, comprobar todos sus estados límite y evaluar su coste. Se han utilizado en este trabajo los siguientes algoritmos: búsqueda local de descenso (DLS), un recocido simulado híbrido con un operador de mutación (SAMO2) y una optimización de enjambres de luciérnagas (GSO) en dos variantes. Los resultados se compararon según el coste más bajo. Los algoritmos GSO y DLS combinados obtuvieron los mejores resultados en términos de coste. Además, se ha estudiado la comparación entre las emisiones de CO2 asociadas a la cantidad de materiales obtenidos por cada técnica heurística y la solución de diseño original. Finalmente, se realizó un estudio paramétrico en función de la longitud de vano del puente peatonal.

El artículo se ha publicado en abierto, y se puede descargar en el siguiente enlace: https://www.mdpi.com/2076-3417/9/16/3253

ABSTRACT:

The objective of this work was to apply heuristic optimization techniques to a steel-concrete composite pedestrian bridge, modeled like a beam on two supports. A program has been developed in Fortran programming language, capable of generating pedestrian bridges, checking them, and evaluating their cost. The following algorithms were implemented: descent local search (DLS), a hybrid simulated annealing with a mutation operator (SAMO2), and a glow-worms swarm optimization (GSO) in two variants. The first one only considers the GSO and the second combines GSO and DLS, applying the DSL heuristic to the best solutions obtained by the GSO. The results were compared according to the lowest cost. The GSO and DLS algorithms combined obtained the best results in terms of cost. Furthermore, a comparison between the CO2 emissions associated with the amount of materials obtained by every heuristic technique and the original design solution were studied. Finally, a parametric study was carried out according to the span length of the pedestrian bridge.

Keywords: pedestrian bridgecomposite structuresoptimizationmetaheuristicsstructural design

REFERENCIA:

Yepes, V.; Dasí-Gil, M.; Martínez-Muñoz, D.; López-Desfilis, V.J.; Martí, J.V. Heuristic Techniques for the Design of Steel-Concrete Composite Pedestrian Bridges. Appl. Sci. 20199, 3253.

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Técnicas de decisión multicriterio para la educación de ingenieros en sostenibilidad

ABSTRACT

In recent times, a great deal of interest has emerged from different sectors of society towards sustainability and sustainable product design. Decision makers are increasingly encouraged to take into consideration the economic, environmental and social dimensions of reality when dealing with problems. Sustainability is of particular importance in the field of civil engineering, where structures are designed that are long lasting and shall cause significant impacts over a long period of time, such as bridges or dams. Consequently, when addressing a structural design, civil engineers shall account for the three dimensions of sustainability, which usually show conflicting perspectives. Multi-criteria methods allow the inclusion of non-monetary aspects into the design process of infrastructure. In the postgraduate course ‘Predictive and optimisation models for concrete structures’, offered at the Masters in Concrete Engineering of the Universitat Politècnica de València, civil engineering students are taught how to apply such tools within the framework of sustainable design of concrete structures. The present paper conducts a state-of-the-art review of the main multi-criteria decision making methodologies taught in the course in the context of sustainability. Articles are searched in recognized databases, such as SCOPUS and Web of Science. The most significant methods, such as Analytical Hierarchy Process (AHP), Elimination and Choice Expressing Reality (ELECTRE), Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) or Complex Proportional Assessment (COPRAS) are systematically discussed, identifying the actual trends concerning the use of such methodologies in the field of civil engineering. The review provides a deep insight in the multi criteria techniques that are most frequently used when assessing sustainability of infrastructure designs.

KEYWORDS

Postgraduate education; multi-criteria decision making; sustainability; structural design; state of the art review

REFERENCE

NAVARRO, I.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2018). Multi-criteria decision making techniques in civil engineering education for sustainability. Proceedings of ICERI2018,the 11th annual International Conference of Education, Research and Innovation, Seville (Spain), 12th-14th November 2018, pp. 9798-9807.  ISBN: 978-84-09-05948-5

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Optimización heurística de ménsulas cortas mediante elementos finitos con fisuración distribuida

A continuación os dejo un artículo donde se aplica la optimización heurística mediante recocido simulado de ménsulas cortas de hormigón armado usando para ello elementos finitos con fisuración distribuida.

También puedes encontrar el artículo en acceso abierto en: https://www.witpress.com/elibrary/wit-transactions-on-the-built-environment/125/23501

 

 

 

Referencia:

ROJAS, G.; ROJAS, P.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F.; YEPES, V. (2012). Heuristic optimization of short corbels by smeared cracking finite element analysis. International Conference on Computer Aided Optimum Design in Engineering, 20-22 june. Computer Aided Optimum Design in Engineering XII. Vol. 125, pp. 71-82. Edited By: S. HERNANDEZ, University of A Coruña, Spain, C.A. BREBBIA, Wessex Institute of Technology, UK and W.P. DE WILDE, Vrije Universiteit Brussel, Belgium. DOI: 10.2495/OP120071  ISSN: 1743-3509 (on line).

 

 

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Diseño automático de puentes pretensados con algoritmos heurísticos

Acaban de publicarnos un artículo donde se utilizan cuatro algoritmos heurísticos: Descent Local Search, Threshold Accepting Algorithm with Mutation Operation, Genetic Algorithm y Memetic Algorithm para el diseño automático de puentes pretensados.

Se puede descargar gratuitamente este artículo hasta el 10 de junio de 2017 en el siguiente enlace: https://authors.elsevier.com/a/1UwC15s1QSxbmc

Referencia: 

YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; GARCÍA-SEGURA, T.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2017). Heuristics in optimal detailed design of precast road bridges. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 17(4):738-749. DOI: 10.1016/j.acme.2017.02.006

Abstract:

This paper deals with the cost optimization of road bridges consisting of concrete slabs prepared in situ and two precast-prestressed U-shaped beams of self-compacting concrete. It shows the efficiency of four heuristic algorithms applied to a problem of 59 discrete variables. The four algorithms are the Descent Local Search (DLS), a threshold accepting algorithm with mutation operation (TAMO), the Genetic Algorithm (GA), and the Memetic Algorithm (MA). The heuristic optimization algorithms are applied to a bridge with a span length of 35 m and a width of 12 m. A performance analysis is run for the different heuristics, based on a study of Pareto optimal solutions between execution time and efficiency. The best results were obtained with TAMO for a minimum cost of 104184 euros. Among the key findings of the study, the practical use of these heuristics in real cases stands out. Furthermore, the knowledge gained from the investigation of the algorithms allows a range of values for the design optimization of such structures and pre-dimensioning of the variables to be recommended.

Keywords:

Optimization; Metaheuristics; Bridges; Overpasses; Structural design

 

Optimización heurística de muros de contrafuertes

Para empezar este año 2017, nada mejor que te comuniquen la publicación de un artículo de investigación el mismo día 1. Se trata en este caso de la utilización de algoritmos heurísticos híbridos para optimizar el coste de muros de contrafuertes. Se ha publicado en la revista Engineering Structures.

Podéis acceder a solicitar el artículo en este enlace:

https://www.researchgate.net/publication/312022114_Optimization_of_buttressed_earth-retaining_walls_using_hybrid_harmony_search_algorithms

Abstract:

This paper represents an economic optimization of buttressed earth-retaining walls. We explore the optimum solutions using a harmony search with an intensification stage through threshold accepting. The calibration of the resulting algorithm has been obtained as a result of several test runs for different parameters. A design parametric study was computed to walls in series from 4 to 16 m total height. The results showed different ratios of reinforcement per volume of concrete for three types of ground fill. Our main findings confirmed that the most sensitive variable for optimum walls is the wall-friction angle. The preference for wall-fill friction angles different to 0 in project design is confirmed. The type of fill is stated as the main key factor affecting the cost of optimum walls. The design parametric study shows that the soil foundation bearing capacity substantially affects costs, mainly in coarse granular fills (F1). In that sense, cost-optimum walls are less sensitive to the bearing capacity in mixed soils (F2) and fine soils of low plasticity (F3). Our results also showed that safety against sliding is a more influential factor for optimum buttressed walls than the overturning constraint. Finally, as for the results derived from the optimization procedure, a more suitable rule of thumb to dimension the footing thickness of the footing is proposed.

Keywords:

Structural design; Heuristics; Harmony search; Cost optimization; Concrete structures

Reference:

MOLINA-MORENO, F.; GARCÍA-SEGURA, T.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2017). Optimization of buttressed earth-retaining walls using hybrid harmony search algorithms. Engineering Structures, 134:205-216. http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.12.042