Optimización energética de tableros tipo losa pretensados aligerados mediante modelos Kriging.

Abstract

[ES] La industria de la construcción pasa por ser una de las mayores consumidoras de recursos naturales. En efecto, la construcción consume alrededor del 40% del total de roca, grava y arena, el 25% de la madera, el 40% de la energía y el 16% del agua usada anualmente en el mundo (Lippiatt,1999). En lo relativo a la energía, se estima que la industria cementera emplea alrededor del 5% del consumo total de energía industrial (World Energy Counc,1995). En los últimos años, se han desarrollado estudios que han proporcionado guías para seleccionar materiales más sostenibles, tanto desde el punto de vista económico como medioambiental. También se han estudiado los beneficios económicos y ambientales que tiene la optimización de las estructuras e infraestructuras de todo tipo. Los puentes losa pretensados aligerados han sido y son una forma habitual de resolver los pasos superiores de carreteras en nuestro país. El abundante uso de este tipo de estructuras lleva a tratar de proyectar diseños energéticamente más eficientes. El objetivo de este trabajo es diseñar una metodología que permita la optimización energética de tableros losa pretensado aligerados. Primeramente, se analizará la sección transversal con la finalidad de obtener los parámetros que condicionan su diseño. En este análisis nos ayudaremos de recomendaciones y estudios obtenidos del estado del arte que determinan los rangos máximos, mínimos y valores habituales de los diferentes parámetros que conforman la sección del tablero del puente. De este análisis se obtendrán las variables de diseño de la sección transversal del tablero, a través de cuyos valores se mejorará la eficiencia del consumo energético necesario para su construcción. Tras conocer las restricciones de cada una de las variables se procederá a la optimización energética del tablero. La metodología que va a ser empleada constará de dos fases. En una primera fase, se realizará un muestreo de las variables del tablero mediante la técnica del hipercubo latino con el objeto de determinar una superficie de respuesta que será posteriormente optimizada. El hipercubo latino constituye un método estadístico que permite conocer una serie de diseños del tablero, los cuales serán la entrada o inputs al modelo de optimización. Los diseños obtenidos se analizarán estructuralmente a través un programa informático que, además, verifica la estructura según la normativa española (EHE-08). Tras ello, se realiza la valoración energética de cada uno de los tableros analizados. Para dicha valoración, únicamente se tendrán en cuenta las mediciones que presentan una especial relevancia y difieren entre unos tableros y otros. Estas mediciones consideradas son el volumen y tipo de hormigón empleado, la cuantía de acero pasivo y activo, la superficie de encofrado y el volumen de aligeramiento empleado. Una vez conocido el impacto energético que presenta cada uno de los tableros y para finalizar la primera fase, se llevará a cabo una optimización heurística a través de un metamodelo Kriging. Con dicha optimización se obtendrá un diseño energéticamente más eficiente. En la segunda fase del trabajo, se seguirá la metodología empleada en la primera fase, pero centrada en el entorno del diseño óptimo obtenido, constituyendo una intensificación de la búsqueda. Este estudio alrededor del diseño óptimo pretende hallar una solución que mejore a la obtenida en la primera fase. Con este estudio se pretende cuantificar la eficiencia energética que se puede obtener si se tiene en cuenta el consumo energético en el proceso de diseño. También se valorará económicamente la solución obtenida y se comparará con la solución inicial. Con todo esto se pretende aplicar una metodología racional que nos permita mejorar la eficiencia energética de los tableros tipo losa pretensado aligerados. Esta metodología podría haber sido aplicada a cualquier tipo de estructura y se considera interesante tenerla presente en el diseño para obtener estructuras energéticamente eficientes.

[EN] The construction industry is one of the largest consumers of natural resources. In fact, construction consumes about 40% of the total rock, gravel and sand, 25% of wood, 40% of energy and 16% of the water used annually in the world (Lippiatt,1999). In terms of energy, it is estimated that the cement industry employs about 5% of total industrial energy consumption (World Energy Counc, 1995).

In recent years, studies have been developed that have provided guides to select more sustainable materials, both economically and environmentally. The economic and environmental benefits of optimizing structures and infrastructures of all kinds have also been studied.

Prestressed lightweight slab-type bridges have been and are a common way to solve the top crossings of roads in our country. The abundant use of such structures leads to an attempt to design more energy-efficient designs.

The objective of this work is to design a methodology that allows the energy optimization of prestressed lightweight slab-type decks. First, the cross section will be analyzed in order to obtain the parameters that condition its design. In this analysis we will help us from recommendations and studies obtained from the state of the art that determine the maximum ranges, minimums and usual values of the different parameters that make up the section of the bridge board. This analysis will obtain the design variables of the cross-section of the board, through which values will improve the efficiency of the energy consumption required for its construction.

After knowing the restrictions of each of the variables will proceed to the energy optimization of the board. The methodology to be used will consist of two phases. In a first phase, the variables of the board will be sampled using the Latin hypercube technique in order to determine a response surface that will be subsequently optimized. The Latin hypercube is a statistical method that allows you to know a series of board designs, which will be the input or inputs to the optimization model. The designs obtained will be analyzed structurally through a computer program that also verifies the structure according to Spanish regulations (EHE-08). After this, the energy assessment of each of the boards analyzed is carried out. For this assessment, only measurements that are of particular relevance and differ between decks shall be taken into account. These measurements considered are the volume and type of concrete used, the amount of passive and active steel, the formwork surface and the lightening volume used. Once the energy impact of each of the boards is known and to finish the first phase, a heuristic optimization will be carried out through a Kriging metamodel. This optimization will result in a more energy-efficient design.

In the second phase of the work, the methodology used in the first phase, but focused on the environment of the optimal design obtained, will be followed, constituting an intensification of the search. This study around the optimal design aims to find a solution that improves that obtained in the first phase.

This study aims to quantify the energy efficiency that can be obtained by taking into account energy consumption in the design process. The solution obtained will also be economically assessed and compared with the initial solution.

All this aims to apply a rational methodology that allows us to improve the energy efficiency of lightweight pre-retained snout boards. This methodology could have been applied to any type of structure and it is considered interesting to keep it in mind in the design to obtain energy efficient structures.