optimización heurística de pórticos de edificación de hormigón armado

325 Pages·2007·3.41 MB·Spanish

OPTIMIZACIÓN HEURÍSTICA DE PÓRTICOS DE
EDIFICACIÓN DE HORMIGÓN ARMADO

Ignacio Payá Zaforteza

2007

Tesis doctoral dirigida por:
Prof. Dr. Fernando González Vidosa
Prof. Dr. Víctor Yepes Piqueras

Universidad Politécnica de Valencia
Departamento de Ingeniería de la Construcción y de Proyectos de
Ingeniería Civil

A mis padres, familia, amigos
y, muy especialmente, a todos los que estudian y trabajan al mismo tiempo, ¡ánimo!

Prefacio.
La presente Tesis Doctoral, que tiene por título “Optimización heurística de pórticos
de edificación de hormigón armado”, ha sido elaborada por Ignacio Payá Zaforteza y forma
parte de los requisitos para la obtención del título de Doctor Ingeniero de Caminos, Canales
y Puertos en el programa de doctorado del Departamento de Ingeniería de la Construcción y
Proyectos de Ingeniería Civil de la Universidad Politécnica de Valencia.
Los trabajos han sido dirigidos por el Profesor Titular de Universidad D. Fernando
González Vidosa y por el Profesor Asociado de Universidad D. Víctor Yepes Piqueras,
ambos del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de
la Universidad Politécnica de Valencia.

Agradecimientos.
Esta Tesis Doctoral ha sido posible gracias a la dedicación prestada por sus
directores, los doctores Fernado González Vidosa y Víctor Yepes Piqueras. Mi más sincero
agradecimiento por su gran atención, guía y sugerencias recibidas. Una parte de la misma
se elaboró durante una estancia del autor en el Fachgebiet Massivbau de la Technische
Universität Berlin. Sirvan estas líneas para expresar mi gratitud hacia el profesor Dr. Mike
Schlaich y su equipo de colaboradores por la amabilidad, simpatía, generosidad y confianza
con que me acogieron. También quedo en “deuda” con el Dr. Antonio Hospitaler Pérez, por
la inestimable ayuda prestada en mis primeros pasos en el ámbito de la optimización
multiobjetivo.
Deseo resaltar el apoyo y ánimo que en todo momento he recibido por parte de mis
compañeros de la Unidad Docente de Edificación y Prefabricación y del Grupo de
Procedimientos de Construcción, Optimización y Análisis de Estructuras. Finalmente, una
mención especial para Virginie, mi familia y mis amigos por su comprensión ante los
tiempos no dedicados; sin su soporte, comprensión y cariño no hubiera sido posible llegar
hasta aquí.

Resumen.
PAYÁ ZAFORTEZA, IGNACIO. (2007). Optimización heurística de pórticos de
edificación de hormigón armado. Tesis Doctoral. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de
Caminos, Canales y Puertos. 295 páginas. [email protected]
El objetivo de esta Tesis es el diseño de algoritmos robustos y flexibles que permitan
automatizar el diseño óptimo de los pórticos de hormigón armado habitualmente empleados
en edificación y extraer conclusiones generales sobre las estructuras optimizadas. El trabajo
define un esquema general para la optimización monoobjetivo (coste económico) y
multiobjetivo de estas estructuras que es aplicado a pórticos planos con un máximo de 153
variables. Entre ellas figuran seis calidades diferentes de hormigón.
Para minimizar el coste económico se prueban cinco métodos heurísticos: una
Estrategia de Saltos Múltiples Aleatorios (RW), el Gradiente First Best (FB), la Cristalización
Simulada (SA), la Aceptación por Umbrales (TA) y los Algoritmos Genéticos (GA). Estas
técnicas se utilizan en una primera fase para optimizar un pórtico de dos vanos y cuatro
plantas sometido a acciones verticales y horizontales. La versión desarrollada de SA
proporciona el diseño de mayor calidad, cuyo coste es de 3473.06 €. Los mejores proyectos
obtenidos mediante las variantes creadas de TA, FB, GA y RW tienen costes mínimos
superiores en un 0.52%, 5.74%, 8.69% y un 124.6% respectivamente. Por estos motivos se
elige SA para, en una segunda fase, optimizar económicamente otros pórticos de dos vanos
y dos, seis y ocho plantas.
Los resultados obtenidos permiten proponer reglas para el predimensionamiento de
las estructuras optimizadas y automatizar la elección de los parámetros del algoritmo SA, lo
que evita largos procesos de ensayo y error. Se comprueba que los estados límites
habitualmente empleados en el diseño de esta tipología estructural son también suficientes
para comprobar la seguridad de las estructuras optimizadas.
Asimisimo se investiga la repercusión económica del empleo de un único tipo de
hormigón (un HA-25 con resistencia de proyecto a compresión igual a 25 MPa) y de la
utilización de vigas planas en lugar de descolgadas. En el caso del pórtico de ocho plantas,
el uso exclusivo de HA-25 supone incrementar su coste un 3.02% y, utilizar además vigas
planas, lo encarece un 46.7 %.
La Tesis presenta finalmente el estudio de la optimización simultanea del coste de la
estructura y de objetivos relacionados con su facilidad constructiva, su sostenibilidad
ambiental y su seguridad. Para ello se emplea el método de Suppapitnarm para la
optimización multiobjetivo mediante Cristalización Simulada (SMOSA). Los resultados
muestran que los criterios entran en conflicto y no es posible encontrar un diseño que sea
óptimo, a la vez, en los tres objetivos. No obstante, SMOSA es capaz de proporcionar al
proyectista un conjunto amplio de alternativas entre las que elegir una solución de
compromiso.
Palabras clave: optimización estructural, optimización heurística, optimización
multiobjetivo, pórtico de edificación, hormigón armado, Cristalización Simulada, SMOSA,
sostenibilidad ambiental.
Abstract

PAYÁ ZAFORTEZA, IGNACIO. (2007). Heuristic optimization of reinforced concrete
buiding frames. Doctoral thesis. School of Civil Engineering. 295 pages. [email protected].
The objective of this thesis is to design robust and flexible algorithms that allow to
automate the optimal design of reinforced concrete frames, commonly used in building
construction, as well as to draw general conclusions about the optimized structures. This
work outlines a general framework for the single-objective (economic cost) and the multi-
objective optimization of these structures which is applied to planar frames with a maximum
of 153 variables. Among them we find six different types of concrete grades.
Five heuristic methods are tested in order to minimise the economic cost: Random
Walk Strategy (RW), First Best Gradient (FB), Simulated Annealing (SA), Threshold
Accepting (TA), and Genetic Algorithms (GA). These techniques are used in a first phase in
order to optimise a portal frame made up of two bays and four floors subject to vertical and
horizontal forces. The SA version developed provides the highest quality design, whose cost
is 3473.06 €. The best projects obtained through the created versions of TA, FB, GA and RW
have minimum costs exceeding it by 0.52%, 5.74%, 8.69% and 124.6%, respectively. For
this reason, SA is chosen to economically optimize other building frames made up of two
bays and two, six and eight floors.
The results obtained allow to suggest rules for the pre-dimensioning of the optimized
structures and to automate the selection of parameters for the SA algorithm, thus avoiding
long trial-and-error processes. Besides, it is verified that the limit states usually checked in
this structural typology are also enough in order to guarantee the safety of the optimized
structures.
Likewise, the research comprises an analysis of the economic impact derived from the
use of a single type of concrete (HA-25 with project resistance to compression of 25 MPa),
as well as of the use of flat beams instead of overhanging beams. Regarding the eight-floor
portal frame, the exclusive use of HA-25 implies a cost increase of 3.02% and, in case flat
beams are also employed, it raises by 46.7%.
Finally, the thesis includes a study of the simultaneous optimization of the cost of the
structure and of the objectives related to its ease of construction, environmental sustainability
and safety. For this, the Suppapitnarm Multi-objective Simulated Annealing (SMOSA)
method is used. The results show that the different criteria come into conflict, and so it is not
possible to find an optimal design for all three objectives simultaneously. Nevertheless, the
SMOSA method provides the project designer with a sufficiently wide set of alternatives
among which to choose a compromise solution.
Keywords: structural optimisation, heuristic optimization, multi-objective optimization,
building frame, reinforced concrete, Simulated Annealing, SMOSA, environmental
sustainability.