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Optimización mediante metamodelos en la ingeniería estructural

Acaban de publicarnos un artículo en Structures, revista indexada en el JCR. Se trata de la evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en ambiente costero. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La optimización asistida por metamodelos es una alternativa valiosa para manejar los procedimientos de optimización de diseño estructural, que suelen ser bastante costosos y a veces incluso prohibitivos. Este estudio ofrece una revisión actualizada de la literatura sobre la optimización asistida por metamodelos en el campo de la ingeniería estructural, analizando 111 publicaciones y 169 casos de estudio. Para proporcionar recomendaciones prácticas sobre las mejores prácticas para realizar esta optimización, se analizan ocho variables categóricas y se detectan relaciones subyacentes entre ellas mediante el análisis de correspondencia simple y múltiple. Sorprendentemente, hay menos documentos publicados sobre el tema de lo que se esperaba. La mayoría se centran en mejorar o desarrollar estrategias de metamodelización utilizando casos de estudio simples (benchmark) para validar las metodologías propuestas. La originalidad y el valor de este estudio radican en las conclusiones obtenidas a partir del análisis estadístico, que sirven como guía práctica para incorporar estrategias de metamodelización en futuros proyectos relacionados con la optimización del diseño estructural.

Como el artículo está publicado en abierto, lo podéis descargar en el siguiente enlace: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423004782

Abstract

Metamodel-assisted optimization is a valuable alternative to handle structural design optimization procedures, which are usually quite expensive and sometimes even prohibitive. This paper presents an up-to-date literature review on metamodel-assisted structural design optimization (MASDO) in the structural engineering field. The period analyzed is from 2000 to the present, involving 111 publications and 169 case studies. In order to provide practical recommendations on best practices to perform MASDO, eight categorical variables are analyzed, and underlying relationships between them are detected by applying simple and multiple correspondence analysis. Surprisingly, there are fewer published papers on the subject than expected. Most focus on improving or developing metamodeling strategies using simple (benchmark) case studies to validate the proposed methodologies. Consequently, the originality and value of this study lie in the conclusions obtained from the statistical analysis, which serve as a practical guide for incorporating metamodeling strategies in future projects related to structural design optimization.

Keywords

State-of-the-art; Structural design optimization; Metamodel-assisted optimization; Surrogate-based optimization; Structural engineering

Reference

NEGRÍN, I.; KRIPKA, M.; YEPES, V. (2023). Metamodel-assisted design optimization in the field of structural engineering: a literature review. Structures, 52:609-631. DOI:10.1016/j.istruc.2023.04.006

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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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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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Impacto del desarrollo sostenible regional a través de la optimización de puentes

Acaban de publicarnos un artículo en Structures, revista indexada en el JCR. Se trata de establecer un modelo para evaluar el impacto del desarrollo sostenible regional a través de la optimización de puentes. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València y de la dirección de la tesis doctoral de Zhi Wu Zhou.

Este artículo describe un modelo óptimo para medir y calcular los datos de impacto de la evaluación del desarrollo sostenible relacionados con la construcción de infraestructuras en cualquier lugar. El artículo utiliza una revisión bibliográfica y un estudio de caso como métodos de investigación: la revisión bibliográfica analiza la importancia, el significado práctico y el estado actual de la investigación en este campo. La aplicación del estudio de caso establece un programa de algoritmos y un modelo del entorno interactivo de optimización de la topología estructural tridimensional. Se analiza la optimización de la curva de influencia del desarrollo sostenible de los puentes atirantados de gran escala de China y de las infraestructuras regionales. Esta investigación llena un vacío al resolver el tedioso y complejo trabajo de las empresas del sector y la evaluación del desarrollo sostenible. Al mismo tiempo, proporciona una base teórica y métodos de cálculo científicos para que los gobiernos y países puedan formular leyes y reglamentos y estudien los efectos climáticos regionales.

El artículo completo lo puedes descargar aquí: https://authors.elsevier.com/sd/article/S2352-0124(22)00409-X

Abstract:

This paper describes a regional optimal model curve equation to measure and calculate sustainable development assessment impact data related to infrastructure construction in any world region. The article uses a literature review and a case study as research methods—the literature review analyses the importance, practical significance, and current research status of this field. The case study application establishes a scientific algorithm program and a three-dimensional structural topology optimization interactive environment research model. The optimality of the influence equation curve and the sustainable development influence curve of China’s large-scale cable-stayed bridges and regional infrastructure is analysed. This research will fill a gap by solving construction industries’ tedious and complicated work and sustainable development assessment. Simultaneously, it will provide a theoretical basis and scientific calculation methods for governments and countries to formulate relevant laws and regulations and study regional climate effects.

Keywords:

Construction; algorithm program; structure; topology; LCA; SIA

Reference:

ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Regional sustainable development impact through sustainable bridge optimization. Structures, 41, 1061-1076. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.05.047

 

Valoración del impacto social de puentes de hormigón y mixtos

Acaban de publicarnos un artículo en Sustainability, revista indexada en el JCR. Se trata de valorar distintas alternativas de puentes de hormigón o mixtos desde el punto de vista de la sostenibilidad social. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La definición de sostenibilidad incluye tres pilares fundamentales: económico, medioambiental y social. Los estudios sobre el impacto económico en las infraestructuras de ingeniería civil se han centrado en la reducción de costes. No está necesariamente en consonancia con la sostenibilidad económica, pues no se cosideran otros factores económicos. Además, la evaluación del pilar social se ha desarrollado poco en comparación con la económica y la medioambiental. Es esencial centrarse en la sostenibilidad social y evaluar indicadores claros que permitan a los investigadores comparar alternativas. Además, los estudios de evaluación del ciclo de vida de los puentes se han centrado hasta ahora en soluciones de hormigón. Esto ha dado lugar a una falta de análisis del impacto de las alternativas de puentes mixtos. Este estudio se realiza en dos fases. La primera parte evalúa la sostenibilidad social y medioambiental de “la cuna a la tumba” con las bases de datos SOCA v2 y ecoinvent v3.7.1. Esta evaluación se realiza sobre cuatro alternativas de puentes de hormigón y mixtos con luces entre 15 y 40 m. Para obtener los indicadores sociales y medioambientales se ha utilizado ReCiPe y el método de ponderación del impacto social. La segunda parte del estudio compara los resultados obtenidos de la evaluación social y medioambiental de las alternativas variando la tasa de reciclaje del acero. Las alternativas de puente son la losa maciza de hormigón pretensado, la losa aligerada de hormigón pretensado, el cajón-viga de hormigón pretensado y el cajón-viga mixto. Los resultados muestran que las opciones compuestas son las mejores en cuanto al impacto medioambiental, pero las soluciones de viga cajón de hormigón son mejores en cuanto al impacto social. Además, un aumento de la tasa de reciclaje del acero aumenta el impacto social y disminuye el medioambiental.

Abstract

The definition of sustainability includes three fundamental pillars: economic, environmental, and social. Studies of the economic impact on civil engineering infrastructures have been focused on cost reduction. It is not necessarily in line with economic sustainability due to the lack of other economic factors. Moreover, the social pillar assessment has been weakly developed compared to the economic and the environmental ones. It is essential to focus on the social pillar and evaluate clear indicators that allow researchers to compare alternatives. Furthermore, bridge life cycle assessment studies have been focused on concrete options. This has resulted in a lack of analysis of the impact of composite bridge alternatives. This study is conducted in two stages. The first part of the study makes a cradle-to-grave social and environmental sustainability evaluation with the SOCA v2 and ecoinvent v3.7.1 databases. This assessment is carried out on four concrete and composite bridge alternatives with span lengths between 15 and 40 m. The social impact weighting method and recipe have been used to obtain the social and environmental indicators. The second part of the study compares the results obtained from the social and environmental assessment of the concrete and the composite alternatives varying the steel recycling rate. The bridge alternatives are prestressed concrete solid slab, prestressed concrete lightened slab, prestressed concrete box-girder, and steel-concrete composite box-girder. The results show that composite options are the best for environmental impact, but the concrete box girder solutions are better for social impact. Furthermore, an increase in the steel recycling rate increases the social impact and decreases the environmental one.

Keywords

Sustainability; bridges; structures; LCA; ReCiPe; SOCA

Reference:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2022). Social Impact Assessment Comparison of Composite and Concrete Bridge Alternatives. Sustainability, 14(9):5186. DOI:10.3390/su14095186.

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Optimización de tableros de puentes mixtos con metaheurística de trayectoria

Variables de la sección transversal del puente mixto

La optimización de puentes es un problema complejo debido al gran número de variables que intervienen. En este trabajo se ha realizado la optimización de un puente mixto en cajón considerando el coste como función objetivo. Para ello se ha aplicado el Recocido Simulado (SA) como ejemplo de algoritmo basado en la búsqueda de soluciones mediante trayectorias para la optimización de la estructura. Se observa que la adición de celdas a las secciones transversales del puente mejora no sólo el comportamiento de la sección sino también los resultados de la optimización. Finalmente, se observa que el diseño propuesto de doble acción compuesta materializando losas en el ala inferior sobre apoyos, permite eliminar los rigidizadores longitudinales continuos. Este método automatiza el proceso de optimización de un diseño inicial de un puente de material compuesto, que tradicionalmente se ha basado en la propia experiencia del técnico, permitiendo alcanzar resultados de forma más eficiente.

Referencia:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2021). Composite bridge deck optimization with trajectory-based algorithms. 6th International Conference on Mechanical Models in Structural Engineering, CMMoST 2021, 1-3 December, Valladolid, Spain, pp. 174-187. ISNB: 978-84-09-39323-7

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