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ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón)

Os paso a continuación un pequeño dossier que hemos preparado para explicar lo que hace nuestro grupo de investigación sobre optimización heurística relacionado con temas de hormigón (proyecto HORSOST) y con el mantenimiento de activos e infraestructuras. Esta actividad se encuentra enmarcada dentro del ICITECH (Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón), del Máster Oficial en Ingeniería del Hormigón y del Programa de Doctorado en Ingeniería de la Construcción de la Universidad Politécnica de Valencia (verificado por ANECA).

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19 agosto, 2015
 
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Aportaciones al VI Congreso Internacional de Estructuras ACHE

Durante los días 3 a 5 de junio de 2014 tendrá lugar en Madrid el VI Congreso Internacional de Estructuras organizado por la Asociación Científico-técnica el Hormigón Estructural (ACHE). Es una magnífica oportunidad de encuentro entre profesionales y especialistas relacionados con las estructuras. Nuestro grupo de investigación no podía faltar a esta cita. Es por ello que, como avance, dejamos a continuación los resúmenes de las comunicaciones que están previstas exponer en el marco de dicho congreso. Os esperamos en el congreso para tener una excusa para compartir ideas.

YEPES, V.;  MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J.; GARCÍA-SEGURA, T. (2014). Diseño eficiente de estructuras con hormigones no convencionales basados en criterios sostenibles multiobjetivo: HORSOST.

El objetivo principal del proyecto de investigación HORSOST consiste en desarrollar una metodología que permita establecer criterios de diseño de estructuras realizadas con hormigón no convencional de forma que se maximice su contribución a la sostenibilidad. Para ello se emplean técnicas de análisis inteligente y minería de datos, algoritmos de optimización heurística multicriterio y el análisis del ciclo de vida (elaboración, transporte, procedimientos constructivos, mantenimiento, etc.). La tipología de estructuras objeto del proyecto son los puentes losa y vigas artesa pretensadas, pilas y estribos de puente, marcos y bóvedas de paso de carreteras. El proyecto se centra en hormigones de alta resistencia, reforzados con fibras y autocompactantes. Se analizan y comparan los criterios de diseño sostenible entre los hormigones convencionales y no convencionales para cada una de las tipologías estructurales.

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; MARTÍ, J.V. (2014). Influencia de la carbonatación y durabilidad en el ciclo de vida del hormigón fabricado con cementos con adiciones.

Este artículo describe la influencia de la carbonatación y la durabilidad en el estudio de las emisiones de CO2 de un pilar de hormigón armado fabricado con cemento con adiciones. Se han valorado dichas emisiones desde la producción de las materias primas hasta la demolición de la estructura. El uso de cementos con cenizas volantes y escorias de alto horno reduce entre un 20 y 70% las emisiones de producción del cemento. Sin embargo, la absorción de CO2 por carbonatación disminuye entre un 20 y 80%. Se demuestra la gran influencia de la carbonatación durante la etapa de uso y después de la demolición como material de relleno. Finalmente se comprueba que las emisiones anuales cuando se utilizan cementos con adiciones son menores. Por tanto, las menores emisiones de producción de los cementos con adiciones compensan la reducción en durabilidad y captura de CO2 por carbonatación.

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; MARTÍ, J.V. (2014). Optimización multiobjetivo para el estudio de la sostenibilidad del hormigón autocompactante.

El propósito de este artículo es presentar la optimización multiobjetivo como herramienta para el estudio de la sostenibilidad de los hormigones autocompactantes. Se toma como ejemplo una viga en doble T de hormigón de 15 m de luz definida por 20 variables. Una variable recoge ocho posibles dosificaciones de hormigón. Cuatro hormigones convencionales CC y cuatro hormigones autocompactantes SCC representan cuatro clases resistentes. Se utiliza el algoritmo recocido simulado multiobjetivo “Multiobjective Simulated Annealing” (MOSA) para optimizar el coste, las emisiones de COy la durabilidad. Los resultados muestran la viabilidad económica de las reducciones de las emisiones de CO2 de las mejoras en durabilidad. Además, las soluciones con menor coste y emisión anual utilizan hormigón autocompactante. Los resultados proporcionan al proyectista estructural criterios para elegir soluciones más sostenibles.

ALCALÁ, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; BÁRCENA, A. (2014). Diseño automático de forjados mixtos con chapa nervada, basado en criterios de eficiencia energética y económicos.

Los forjados mixtos con chapa colaborante son una tipología de estructuras horizontales que está experimentando un crecimiento continuo en las últimas décadas. El objetivo de este trabajo consiste en aplicar técnicas heurísticas para optimizar este tipo de forjados. Estos métodos permiten abordar el problema a partir de la definición completa del forjado mixto, al tiempo que se satisfacen las restricciones estructurales exigidas por la normativa. Se han utilizado dos funciones objetivo en la optimización, una económica y otra que cuantifica el consumo energético asociado a cada diseño particular. Se han empleado algoritmos basados en tres metaheurísticas: búsqueda local de descenso (DLS), cristalización simulada (SA) y aceptación por umbrales (TA). Los mejores resultados se han obtenido con el SA. Finalmente, se ha estudiado la sensibilidad del modelo y un estudio paramétrico con diferentes tramos horizontales.

ALCALÁ, J.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; RODRÍGUEZ-FACUNDI, A. (2014). Optimización de forjados de losa pretensada utilizando criterios económicos y de sostenibilidad. 

En ese trabajo se muestran las características principales de los forjados de losa postesa obtenidos con técnica heurísticas de optimización estructural. Estos métodos de optimización permiten una definición completa de la estructura, pudiéndose encontrar diseños completos de forjados optimizados tanto con criterios de economía como de sostenibilidad. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran una clara tendencia a disponer cantos muy estrictos en los resultados óptimos. Aplicando criterios de sostenibilidad se tiende a hormigones de mayores resistencias que con criterios económicos. Finalmente se han realizado pruebas de sensibilidad a los precios, que muestran mucha independencia de los forjados óptimos frente a las variaciones de precios ensayadas.

DASÍ, M.; YEPES, V.;  LÓPEZ-DESFILÍS, V.J. (2014). Diseño eficiente de pasarelas mixtas basado en criterios sostenibles.

El objetivo de este trabajo ha sido aplicar técnicas de optimización heurística a una pasarela peatonal mixta biapoyada. Se ha elaborado un programa en lenguaje Fortran capaz de generar pasarelas, comprobarlas y evaluar su coste, ya sea económico o en relación con su sostenibilidad (emisiones de CO2). Se han implementado los siguientes algoritmos: un Randon Walk en dos variantes (RW1 y RW2), un Descent Local Search (DLS), un Simulated Annealing (SA) y un Glowworms Swarm Optimization en dos variantes (GSO1 y GSO2). Se han comparado los resultados en función del menor coste y de la menor emisión de CO2, con la solución de referencia empleada, encontrando soluciones hasta un 25,40% más económicas atendiendo a criterios de precio y con unas emisiones del 25,44% menores. Finalmente, se ha realizado un estudio de sensibilidad de precios y un breve estudio paramétrico en función de la luz de la pasarela.

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; ALCALÁ, J.; GONZÁLEZ-VIDOSA, F. (2014). Diseño de tableros isostáticos de puentes de vigas artesa prefabricadas pretensadas con criterios económicos.

Este trabajo describe una aproximación al análisis y diseño de puentes de carreteras de tableros isostáticos de vigas artesa prefabricadas pretensadas con criterios económicos. El procedimiento utilizado para resolver el problema combinatorio es una variante del Recocido Simulado (SA en inglés) con un movimiento de vecindad basado en el operador de mutación de los algoritmos genéticos (SAMO). Este algoritmo se aplica al coste económico de las estructuras incluyendo las etapas de fabricación, transporte y construcción. El problema contiene 59 variables de diseño. Se realiza un estudio paramétrico para distintas luces de vano y un estudio de sensibilidad del coste de la estructura a la variación de los precios del hormigón y del acero, obteniéndose correlaciones útiles para el predimensionamiento y el diseño de la estructura, y comprobándose la adaptación del modelo a la influencia de la variación de los precios.

2 junio, 2015
 
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Evolución histórica de los materiales

La ingeniería civil no podría entenderse sin su relación con los materiales de construcción. Históricamente, el desarrollo y la evolución de las sociedades han estado relacionados con la capacidad de sus miembros para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus necesidades. Los materiales de construcción son los productos de los cuales se ha servido el hombre para mejorar su calidad de vida o simplemente para subsistir, y junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su condición. Los prehistoriadores han encontrado útil clasificar las primeras civilizaciones a partir de algunos materiales usados: Edad de Piedra, Edad del Cobre, Edad de Bronce, Edad del Hierro. Esta última secuencia parece universal en todas las áreas, ya el uso del hierro requiere una tecnología más compleja que la asociada a la producción de bronce, que a su vez requiere mayor tecnificación que el uso de la piedra.  A lo largo de la historia se han ido empleando distintos materiales en su construcción, evolucionando estos hasta la utilización actualmente de materiales compuestos formados por fibras de materiales muy resistentes. Madera, piedra, hierro, hormigón, ladrillo y aluminio han sido los materiales utilizados con más frecuencia en la construcción de todo tipo de estructuras. Actualmente se prueban nuevos materiales para construir puentes con mayor resistencia específica que el acero. Son los denominados materiales compuestos, formados por fibras unidas con una matriz de resina y que se vienen utilizando desde hace años en diversos tipos de industrias (aeroespacial, aeronáutica, automóvil, etc.).

En la tabla que os dejo a continuación, tomada de Milliarium, tenéis un pequeño cuadro cronológico de los materiales que se han utilizado en el caso de los puentes.

Cronología de los materiales en la construcción de puentes
COMPRESIÓN FLEXIÓN TRACCIÓN
Prehistoria Arcilla
(tapial, adobe, ladrillo)
Madera Cuerdas
Historia clásica Piedra Madera Madera
Grapas metálicas
Siglo XIX Fundición Madera Cadenas de hierro
Primera mitad siglo XX Hormigón en masa
Acero laminado
Hormigón armado
Acero laminado
Cables de acero
Segunda mitad siglo XX Hormigones especiales
Acero laminado
Maderas laminadas
Hormigón pretensado
Acero laminado
Aleaciones ligeras
Cables de acero de alta resistencia, alto límite elástico y baja relajación

 

Sin embargo, la adopción de un nuevo material no ha supuesto un cambio inmediato y drástico en el diseño y concepción de las estructuras. A modo de ejemplo, cuando se utilizó por primera vez el hierro como material estructural en un puente en 1779, sobre el río Severn en Coalbrookdale (Inglaterra), su diseñador, Abraham Darby adoptó el mismo esquema estructural que los puentes de piedra.

Puente de Coalbrookdale, sobre el río Severn (Inglaterra)

El tema es, como véis, muy extenso como para explicarlo en un sólo post. Por ello creo que lo mejor es que veamos un Polimedia del profesor David García Sanoguera donde nos explica dicha evolución histórica. Espero que os guste.

25 febrero, 2015
 
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Comunicaciones presentadas al congreso MAEB 2015

Imagen1

A continuación vamos a presentar brevemente los resúmenes que enviamos al Congreso Nacional sobre Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados (MAEB). Este Congreso pretende ser un foro de encuentro, discusión y transferencia de conocimiento entre investigadores en el campo de las metaheurísticas y los algoritmos bioinspirados, con el fin de presentar e intercambiar experiencias y resultados.

La X edición, MAEB2015, se celebrará en Mérida-Almendralejo, durante los días 4 al 6 de Febrero de 2015, y está organizada por el Centro Universitario de Mérida perteneciente a la Universidad de Extremadura. Las áreas temáticas integradas en el congreso incluyen estudios teóricos, aplicaciones prácticas, experiencias docentes y desarrollos en el campo de investigación en optimización heurística (información detallada en el apartado de llamada a la participación). Los autores agradecen el aporte financiero realizado para este trabajo por el Ministerio de Ciencia e Innovación (Proyecto de Investigación BIA2011-23602) y por la Universitat Politècnica de València (Proyecto de Investigación SP20120341).

Anfiteatro de Mérida.

GARCÍA-SEGURA, T.; YEPES, V.; MARTÍ, J.V.; ALCALÁ, J. (2015). Algoritmo híbrido de enjambre de luciérnagas y aceptación por umbrales para diseño de vigas. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida.
Este estudio convierte el diseño estructural en una optimización de variables discretas. Se propone un algoritmo híbrido de enjambre de luciérnagas para buscar soluciones con menores emisiones totales y anuales. El algoritmo combina la búsqueda colectiva de la optimización de enjambre luciérnagas “glowworm swarm optimization“(GSO) y la capacidad de búsqueda local del umbral de aceptación “threshold accepting” (TA). La estructura propuesta es una viga de hormigón en doble T biapoyada definida por 20 variables. Se estudia la resistencia del hormigón desde 30MPa hasta 100MPa. Esta comunicación  propone un método para calibrar los parámetros del algoritmo con independencia de la función objetivo y del tamaño del enjambre. Los resultados muestran que TAGSO consigue  diseños de vigas que emiten un 25% menos de CO2. La optimización de las emisiones anuales reduce la cantidad de CO2 al año en un 61% con un incremento total de las emisiones de CO2 del 9%.

Puente Romano

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GARCÍA-SEGURA, T. (2015). Aplicación de metaheurísticas en la optimización de pasos superiores de carreteras. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida.
El artículo se ocupa de la optimización económica de los tableros de los pasos superiores de carreteras formados  por una losa de hormigón ejecutada in situ y dos vigas artesa prefabricadas de hormigón pretensado autocompactable. Se comprueba la eficacia de las distintas metaheurísticas aplicadas en la optimización: “descent local search” (DLS), “simulated annealing” (SA), “threshold accepting” (TA), “genetic algoritms” (GA) y “memetic algorithms” (MA). Los cálculos de las tensiones y de sus envolventes, son programados en lenguaje fortran directamente por los autores. Los algoritmos de optimización heurística se aplican a un tablero de 35 m de  luz y 12 m de ancho. Los parámetros que definen la forma de la sección de la viga se adaptan a los  moldes de una instalación de prefabricados. El ejemplo que se analiza consta de 59 variables discretas. El módulo de la evaluación incluye los estados límite último y de servicio que se aplican comúnmente para estas estructuras: flexión, cortante, torsor, fisuración, flechas, etc. Los algoritmos SA y TA se han calibrado previamente a partir del DLS, y el MA a partir del GA y del SA. Cada heurística se procesa nueve veces, obteniéndose información estadística sobre el valor mínimo, el medio y las desviaciones. Se realiza un análisis del rendimiento de las distintas heurísticas, basado en un estudio de las soluciones Pareto-óptimas entre tiempo de ejecución y rendimiento. Los mejores resultados se obtienen para el SA y el TA, siendo el coste mínimo de 108008 €, correspondiente al SA. Finalmente, entre las principales conclusiones de este estudio, destaca que las soluciones y los tiempos de proceso computacional son tales, que estos métodos se pueden aplicar de un modo práctico a casos reales, y que el conocimiento derivado del uso de estos algoritmos permiten recomendar rangos de valores para emplearlos en el diseño optimizado de estas estructuras y en su aplicación para los predimensionados de las variables.

Acueducto de Los Milagros

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2015). Teoría del valor extremo como criterio de parada en la optimización heurística de puentes. X Congreso Español de Metaheurísticas, Algoritmos Evolutivos y Bioinspirados – MAEB 2015, 4-6 de febrero, Mérida.
El artículo establece un criterio de parada para un algoritmo multiarranque basado en el recocido simulado aplicado a la optimización de losas de puentes de vigas prefabricadas de hormigón pretensado. Para ello se ha comprobado que los óptimos locales encontrados constituyen valores extremos que ajustan a una función Weibull de tres parámetros, siendo el de posición, γ, una estimación del óptimo global que puede alcanzar el algoritmo. Se puede estimar un intervalo de confianza para γ ajustando una distribución Weibull a muestras de óptimos locales extraídas mediante una técnica bootstrap de los óptimos disponibles. El algoritmo multiarranque se detendrá cuando se acote el intervalo de confianza y la diferencia entre el menor coste encontrado y el teórico ajustado a dicha función Weibull.
6 febrero, 2015
 
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Universidad Politécnica de Valencia