Optimización heurística de pasarelas peatonales con sección T bajo criterios económicos y de sostenibilidad

Abstract

[EN] The structure considered of this research is focus on the study of a pedestrian one span deck bridge, which is designed a continuous beam deck with a T cross section made of post-tensioned concrete. This type of section is a solution frequently used for prefabricated concrete pedestrian bridges, so the choice of this element is subject to be optimized due to the repetition of the construction of such structures in real life. The aim of this work has been to apply structural optimization techniques to this typology of constructions according to economic and environmentally criteria (mínimum cost, minimum emissions of CO2 and mínimum energy consumption). An extensive literature review has been used, wich has allowed one hand know the classification and operation of heuristics and metaheurístics techniques most used and on the other hand, know the state of the art in the application of these techniques to optimize structures concrete. After such review, characteristics of the problem have been defined and it has proceeded to the optimization of the footbridge by implementing a software in order to carry out the design and structural verification. This software has been created specifically for this study in M language (own programming language MATLAB software, Matrix Laboratory). The generated programming code allows us to raise the problem in a more complex way, making a study of real structures, with a complete definition of the deck bridge and all the checks required by the regulations for this type of structures. The development of optimization involves the random generation of the variables that define the solution deck structure and subsequently to make an automatic process that encompasses all structural verifications. After analyzing the feasibility of the solution proceeds to the evaluation of the economic and environmental cost involved in its construction from the calculation of the corresponding measurements. The work defines a general framework for mono and multi-objective optimization of the footbridge deck for which have been implemented two optimization algorithms: the first one allows a monoobjetivo heuristic optimization by Simulated Annealing SA, analyzing the different criteria independently (cost, CO2 emissions and energy consumption) while the second allows a multiobjective optimization by the method of Suppapitnarm for Multiobjective Optimization with Simulated Annealing (SMOSA), considering the three objectives simultaneously. The two algorithms (SA and SMOSA) have been properly calibrated to improve their performance by analyzing the characteristic parameters of this type of optimization techniques (calibration movements, Markov Chain lengths, cooling coefficients, stop criteria, etc. After selecting the best calibration, we have studied the number of restarts necessary to achieve quality solutions with a sufficiently high probability, using a stabilization of averages and standard deviations criterion. Subsequently, a study on the sensitivity of costs has been realized in order to analyze how it affects the variation in the price of the materials in the design of the optimal solution. To do this, we have taken variations of price of different materials (reductions or increases percentage of -50%, 100% and 200%) with respect to reference prices. The results show a sensibility more accused with the price of the concrete and it has been observed as the board design is adapted to reduce its cost depending on the material affected by the price variation (increasing the weight of steel or volume of concrete when its price is lower and reducing it when its price is higher than the reference prices.

[ES] La estructura objeto de la presente investigación se corresponde con el tablero de un puente peatonal de un vano, construido mediante hormigón postesado y con una sección transversal en T. Dicha tipología de sección constituye una solución frecuentemente utilizada en pasarelas prefabricadas de hormigón, por lo que la elección de dicho elemento es susceptible de ser optimizada dada la repetición de la construcción de este tipo de estructuras en la vida real. El objetivo de este trabajo ha sido el de aplicar técnicas de optimización estructural a esta tipología de construcciones bajo criterios económicos y de sostenibilidad ambiental (mínima emisión de CO2 y mínimo consumo de energía). Para ello, se ha realizado una extensa revisión bibliográfica que ha permitido por un lado conocer la clasificación y funcionamiento de las técnicas heurísticas y metaheurísticas más utilizadas y por otro, conocer el estado del arte en la aplicación de dichas técnicas a la optimización de estructuras de hormigón. Tras dicha revisión, se han definido las características del problema y se ha procedido a la optimización de dichos tableros mediante la implementación de un programa informático de diseño y comprobación estructural creado específicamente para el presente estudio en lenguaje M (lenguaje de programación propio del software MATLAB, MATrix LABoratory). El código de programación generado nos permite plantear el problema de un modo más complejo, realizando un estudio de estructuras reales, con una definición completa del tablero y con todas las comprobaciones que la normativa exige para este tipo de estructuras. El desarrollo de la optimización consiste en la generación aleatoria de las variables que definen la solución del tablero de la estructura para posteriormente realizar un proceso automático que engloba todas las comprobaciones estructurales. Tras analizar la factibilidad de la solución se procede a la evaluación del coste económico y medioambiental (emisiones de CO2 y energía consumida) que conlleva su ejecución a partir del cálculo de las mediciones correspondientes. El trabajo define un esquema general para la optimización monoobjetivo y multiobjetivo del tablero de la pasarela para lo cual se han implementado dos algoritmos de optimización: el primero de ellos permite realizar una optimización monoobjetivo mediante la heurística de cristalización simulada SA, analizando los diferentes criterios de forma independiente (coste económico, emisiones de CO2 y energía consumida) mientras que el segundo permite realizar una optimización multiobjetivo mediante el método de Suppapitnarm para la Optimización Multiobjetivo con Cristalización Simulada (SMOSA), considerando los tres objetivos de manera simultánea. Los dos algoritmos (SA y SMOSA) han sido debidamente calibrados para mejorar su funcionamiento mediante el análisis de los parámetros característicos de este tipo de técnicas de optimización (calibración de movimientos, longitudes de cadena de Markov, coeficientes de enfriamiento, criterios de parada, etc.). Una vez seleccionada la mejor calibración, se ha estudiado el número de reinicios necesarios para conseguir soluciones de calidad con una probabilidad suficientemente alta, utilizando un criterio de estabilización de medias y desviaciones típicas. Posteriormente y con la finalidad de analizar cómo afecta la variación de precio de los materiales a la búsqueda de la solución óptima se ha realizado un estudio sobre la sensibilidad de costes. Para ello, se han tomado variaciones de precio de los diferentes materiales (reducciones/incrementos porcentuales del -50%, 100% y 200%) respecto de los precios de referencia. Los resultados muestran una sensibilidad más acusada con la variación del precio del hormigón y se observa como el diseño del tablero se adapta para reducir su coste en función del material afectado por la variación de precio (aumentand