Diseño óptimo de tableros de puentes losa pretensados aligerados frente a emisiones de CO2 utilizando metamodelos.

Abstract

[ES] La reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera constituye un factor relevante en la situación actual mundial respecto al cambio climático. El exceso de este tipo de gas es el principal causante del calentamiento como consecuencia del efecto invernadero. La necesidad de reducción de este gas repercute en todas las actividades humanas, incluyendo las actividades relacionadas con la construcción. El principal factor que incrementa las emisiones de CO2 en relación al sector de la construcción es la industria del cemento, que contribuye con un 5% de las emisiones globales.

La finalidad del presente estudio es el diseño de una metodología que permita la reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera en la ejecución de tableros tipo losa aligerados. La metodología propuesta tiene carácter general, pudiéndose aplicar a la optimización de cualquier tipo de estructura para optimizar distintas funciones objetivo. El diseño de la metodología propuesta presenta dos fases secuenciales de optimización, la primera de diversificación y la segunda de intensificación de la búsqueda de los óptimos.

La primera fase de la metodología se basa en realizar un muestreo amplio en el espacio de soluciones para que la búsqueda del óptimo local sea diversa. Por tanto, el primero de los pasos a analizar en la primera fase del análisis consiste en determinar las variables principales de la sección transversal que condicionan el diseño del tablero del puente. Para ello, se recurre a las recomendaciones de autores que establecerán el rango dimensional habitual para esta tipología estructural, así como los valores máximos y mínimos que pueden adoptar dichas variables. Seguidamente y conocidas las restricciones de las que se parten, se realiza un muestreo por hipercubo latino de las variables de diseño del tablero del puente. Con este muestreo se obtienen los distintos diseños de tableros que conforman la entrada al modelo de optimización. Una vez analizados los distintos diseños de tablero de puente, se realizan las comprobaciones, tanto para el Estado Límite Último como para el Estado Límite de Servicio, que la normativa española exige para este tipo de estructuras. Con los resultados obtenidos de los distintos diseños estructurales se puede realizar una valoración de las emisiones de CO2 de cada uno de los tableros. Para realizar una valoración comparativa de cada uno de los diseños obtenidos, se analizan aquellos elementos relevantes en el análisis de la cantidad de CO2 emitida a la atmósfera. Concretamente se ha analizado el tipo de hormigón empleado, la cuantía de acero activo y pasivo, el volumen de aligeramientos y la superficie de encofrado empleado. Finalmente, con la cantidad de emisiones de CO2 y las características diferenciadoras de cada diseño se lleva a cabo una optimización heurística basada en un metamodelo Kriging. Con ella se obtiene una solución optimizada con menores emisiones de CO2 que la muestra analizada.

La segunda fase de la metodología propuesta permite una intensificación en la búsqueda de las soluciones óptimas en la región de la superficie de respuesta más prometedora. En esta fase, se procede a reducir la región de análisis en torno a la solución optimizada obtenida en la fase anterior. La finalidad de la fase de intensificación es corroborar si reduciendo la región de análisis a una región en torno a la solución óptima se consigue obtener una solución mejor.

Por tanto, el objeto principal del trabajo consiste en la propuesta de una metodología bifase basada en metamodelos que permita la reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera, ya sea del tablero de puente losa pretensado aligerado como de cualquier otra estructura que se diseñe. La principal aportación es que esta propuesta de búsqueda de óptimos basada en metamodelos permite optimizar estructuras de forma metódica y secuencial.

[EN] Reducing CO2 emissions into the atmosphere is a relevant factor in the current global climate change situation. Excess this type of gas is the main cause of warming as a result of the greenhouse effect. The need for gas reduction has an impact on all human activities, including construction-related activities. The main factor increasing CO2 emissions relative to the construction sector is the cement industry, which contributes 5% of global emissions.

The purpose of this study is the design of a methodology that allows the reduction of CO2 emissions into the atmosphere in the execution of prestressed lightweight slab-type decks. The proposed methodology is general in nature, being able to apply to the optimization of any type of structure to optimize different objective functions. The design of the proposed methodology presents two sequential phases of optimization, the first of diversification and the second of intensification of the search for optimal ones.

The first phase of the methodology is based on broad sampling in the solution space to make the search for the local optimal diverse. Therefore, the first of the steps to be analyzed in the first phase of the analysis is to determine the main cross-section variables that condition the design of the bridge deck. To this end, the recommendations of authors that will establish the usual dimensional range for this structural typology, as well as the maximum and minimum values that such variables may adopt, are used. Next and known the constraints from which they are split, a Latin hypercube sampling of the design variables of the bridge deck is performed. This sampling results in the different dashboard designs that make up the entry to the optimization model. Once the different bridgeboard designs have been analyzed, checks are carried out for both the Last Limit State and the Limit State of Service, which Spanish regulations require for this type of structure. With the results obtained from the different structural designs, an assessment of the CO2 emissions of each of the boards can be carried out. To perform a comparative assessment of each of the designs obtained, those relevant elements are analyzed in the analysis of the amount of CO2 emitted into the atmosphere. In particular, the type of concrete used, the amount of active and passive steel, the volume of lightenings and the formwork area used have been analysed. Finally, with the amount of CO2 emissions and the differentiating characteristics of each design, heuristic optimization is carried out based on a Kriging metamodel. It provides an optimized solution with lower CO2 emissions than the sample analysed.

The second phase of the proposed methodology allows for an intensification in the search for optimal solutions in the region of the most promising response area. At this stage, we proceed to reduce the analysis region around the optimized solution obtained in the previous phase. The purpose of the intensification phase is to confirm whether reducing the analysis region to a region around the optimal solution is a better solution.

Therefore, the main object of the work is the proposal of a biphase methodology based on metamodels that allows the reduction of CO2 emissions into the atmosphere, either from the lightweight pre-stressed snout bridge deck or of any other structure that is designed. The main contribution is that this proposal to search for optimals based on metamodels allows to optimize structures methodically and sequentially.

[CA] La reducció d'emissions de CO₂ a l'atmosfera constitueix un factor rellevant en la situació actual mundial respecte al canvi climàtic. L'excés d'aquesta mena de gas és el principal causant del calfament com a conseqüència de l'efecte d'hivernacle. La necessitat de reducció d'aquest gas repercuteix en totes les activitats humanes, incloent les activitats relacionades amb la construcció. El principal factor que incrementa les emissions de CO₂ en relació al sector de la construcció és la indústria del ciment, que contribueix amb un 5% de les emissions globals. La finalitat del present estudi és el disseny d'una metodologia que permeta la reducció d'emissions de CO₂ a l'atmosfera en l'execució de taulers tipus llosa alleugerits. La metodologia proposada té caràcter general, podent-se aplicar a l'optimització de qualsevol mena d'estructura per a optimitzar diferents funcions objectiu. El disseny de la metodologia proposada presenta dues fases seqüencials d'optimització, la primera de diversificació i la segona d'intensificació de la cerca dels òptims. La primera fase de la metodologia es basa a realitzar un mostreig ampli en l'espai de solucions perquè la cerca de l'òptim local siga diversa. Per tant, el primer dels passos a analitzar en la primera fase de l'anàlisi consisteix a determinar les variables principals de la secció transversal que condicionen el disseny del tauler del pont. Per a això, es recorre a les recomanacions d'autors que establiran el rang dimensional habitual per a aquesta tipologia estructural, així com els valors màxims i mínims que poden adoptar aquestes variables. Seguidament i conegudes les restriccions de les quals es parteixen, es realitza un mostreig per hipercub llatí de les variables de disseny del tauler del pont. Amb aquest mostreig s'obtenen els diferents dissenys de taulers que conformen l'entrada al model d'optimització. Una vegada analitzats els diferents dissenys de tauler de pont, es realitzen les comprovacions, tant per a l'Estat Límit Últim com per a l'Estat Límit de Servei, que la normativa espanyola exigeix per a aquesta mena d'estructures. Amb els resultats obtinguts dels diferents dissenys estructurals es pot realitzar una valoració de les emissions de CO₂ de cadascun dels taulers. Per a realitzar una valoració comparativa de cadascun dels dissenys obtinguts, s'analitzen aquells elements rellevants en l'anàlisi de la quantitat de CO2 emesa a l'atmosfera. Concretament s'ha analitzat el tipus de formigó emprat, la quantia d'acer actiu i passiu, el volum d'alleugeriments i la superfície d'encofrat emprat. Finalment, amb la quantitat d'emissions de CO₂ i les característiques diferenciadores de cada disseny es duu a terme una optimització heurística basada en un metamodel Kriging. Amb ella s'obté una solució optimitzada amb menors emissions de CO₂ que la mostra analitzada. La segona fase de la metodologia proposada permet una intensificació en la cerca de les solucions òptimes a la regió de la superfície de resposta més prometedora. En aquesta fase, es procedeix a reduir la regió d'anàlisi entorn de la solució optimitzada obtinguda en la fase anterior. La finalitat de la fase d'intensificació és corroborar si reduint la regió d'anàlisi a una regió entorn de la solució òptima s'aconsegueix obtindre una solució millor. Per tant, l'objecte principal del treball consisteix en la proposta d'una metodologia bifase basada en metamodels que permeta la reducció d'emissions de CO₂ a l'atmosfera, ja siga del tauler de pont llosa pretesat alleugerit com de qualsevol altra estructura que es dissenye. La principal aportació és que aquesta proposta de cerca d'òptims basada en metamodels permet optimitzar estructures de manera metòdica i seqüencial.