Optimización de CO2 y costo de zapatas de concreto reforzado sobre un suelo tratado con cal usando algoritmo de recocido simulado modificado
DOI:
https://doi.org/10.17981/ingecuc.16.1.2020.07Palabras clave:
optimización multiobjetivo, algoritmo de recocido simulado modificado, cimentaciones, suelo de calResumen
Introducción: El diseño de cimentaciones sobre suelo tratado con cal se estudia como un tema importante en ingeniería geotécnica y ambiental. Con la aparición y el uso de algoritmos, es posible resolver problemas de optimización en ingeniería, lo que lleva, por ejemplo, a la disminución de cantidades de materiales, tiempo, energía y trabajo.
Objetivo: Esta investigación tiene como objetivo optimizar la emisión de CO2 y el costo de la construcción de zapatas sobre un suelo tratado con cal hidratada utilizando el algoritmo recocido modificado (MSAA).
Metodología: Se calcularon los parámetros de resistencia al corte (cohesión y ángulo de fricción) de un suelo limoso de la formación geológica Guabirotuba de Curitiba (Brasil) estabilizada con diferentes contenidos de cal (3, 5, 7 y 9%) a diferentes tiempos de curado (30, 90, y 180 días). Luego, con estos parámetros, la geometría de las zapatas se optimizó con MSAA minimizando el costo y las emisiones de CO2 de su construcción. La capacidad de carga final del suelo, los asentamientos producidos por la carga de servicio y el factor de seguridad de base fueron usados como restricciones de diseño.
Resultados: Los resultados muestran que la mayoría de los problemas convergen a la misma solución para los costos y las emisiones de CO2 sin depender del tiempo de curado y del contenido de cal utilizado, debido a que las soluciones están restringidas principalmente por los asentamientos máximos permitidos.
Conclusiones: Con el aumento del contenido de cal, la cohesión de las mezclas aumentó para todos los tiempos de curado estudiados y el ángulo de fricción no tuvo variaciones importantes en relación con la cantidad de cal administrada o con el tiempo de curado empleado. Los costos y la emisión de dióxido de carbono para la construcción de zapatas convergentes coinciden con los mismos resultados. En este sentido, se puede evitar el 9% de cal, y pequeños porcentajes de cal (es decir, 3-5%) se destinan a la mejora del suelo y reducen los costos de este procedimiento. Por otro lado, MSAA puede ser considerado como un algoritmo robusto debido a que ha logrado resultados casi iguales y, en algunos casos, mejores resultados en comparación con otros algoritmos para resolver problemas reportados en la literatura.
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B. Celauro, A. Bevilacqua, D. L. Bosco and C. Celauro, “Design Procedures for Soil-Lime Stabilization for Road and Railway Embankments. Part 1-Review of Design Methods,” Procedia - Soc. Behav. Sci., vol. 53, no. 3, pp. 754–763, Oct. 2012. https://doi.org/10.1016/j.sbspro.2012.09.925
P. T. Sherwood, Soil stabilization with cement and lime, Crowthorne, UK: TRL, 1993.
N. C. Consoli, M. Bellaver and L. Festugato, “Key parameter for tensile and compressive strength of fibre-reinforced soil–lime mixtures,” Geosynth. Int., vol. 19, no. 5, pp. 409–414, Oct. 2012. https://doi.org/10.1680/gein.12.00026
J. A. Baldovino, E. B. Moreira, W. Teixeira, R. L. S. Izzo and J. L. Rose, “Effects of lime addition on geotechnical properties of sedimentary soil in Curitiba, Brazil,” J. Rock Mech. Geotech. Eng., vol. 1, no. 1, pp. 1–7, Feb. 2017. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2017.10.001
A. A. Al-Rawas, A. W. Hago and H. Al-Sarmi, “Effect of lime, cement and Sarooj (artificial pozzolan) on the swelling potential of an expansive soil from Oman,” Build. Environ., vol. 40, no. 5, pp. 681–687, May. 2005. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2004.08.028
B. Das, Principios de ingeniería de cimentaciones, México, MX: Thompson Editores, 2006.
Y. Wang and F. H. Kulhawy, “Economic Design Optimization of Foundations,” J. Geotech. Geoenvironmental Eng., vol. 134, no. 8, pp. 1097–1105, Aug. 2008. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2008)134:8(1097).
M. Khajehzadeh, M. R. Taha, A. El-Shafie and M. Eslami, “Modified particle swarm optimization for optimum design of spread footing and retaining wall,” J. Zhejiang Univ. A., vol. 12, no. 6, pp. 415–427, Jun. 2011. https://doi.org/10.1631/jzus.A1000252
C. V. Camp and A. Assadollahi, “CO2 and cost optimization of reinforced concrete footings using a hybrid big bang-big crunch algorithm,” Struct. Multidiscip. Optim., vol. 48, no. 2, pp. 411–426, Feb. 2013. https://doi.org/10.1007/s00158-013-0897-6
C. V. Camp and A. Assadollahi, “CO2 and cost optimization of reinforced concrete footings subjected to uniaxial uplift,” J. Build. Eng., vol. 3, pp. 171–183, Sep. 2015. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2015.07.008
B. Ahmadi-Nedushan and H. Varaee, “Optimal Design of Reinforced Concrete Retaining Walls using a Swarm Intelligence Technique,” present at the 1st Int. Conf. Soft Comput. Technol. Civil, Struct. Environ. Eng., CCP: 92, Stirlingsh., UK, 2009, Paper 26. https://doi.org/10.4203/ccp.92.26
M. Khajehzadeh, M. R. Taha, A. El-Shafie and M. Eslami, “Economic design of retaining wall using particle swarm optimization with passive congregation,” Aust. J. Basic Appl. Sci., vol. 4, no. 11, pp. 5500–5507, Nov. 2010.
M. Khajehzadeh and M. Eslami, “Gravitational search algorithm for optimization of retaining structures,” Indian J. Sci. Technol., vol. 5, no. 1, pp. 1821–1827, Jan. 2012.
V. Yepes, J. Alcala, C. Perea and F. González-Vidosa, “A parametric study of optimum earth-retaining walls by simulated annealing,” Eng. Struct., vol. 30, no. 3, pp. 821–830, Mar. 2008. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2007.05.023
A. Kaveh and A. S. M. Abadi, “Harmony search based algorithms for the optimum cost design of reinforced concrete cantilever retaining walls,” Int. J. Civ. Eng., vol. 9, no. 1, pp. 1–8, Mar. 2011.
A. Kaveh and A. F. Behnam, “Charged System Search Algorithm for the Optimum Cost Design of Reinforced Concrete Cantilever Retaining Walls,” Arab. J. Sci. Eng., vol. 38, no. 3, pp. 563–570, Mar. 2012. https://doi.org/10.1007/s13369-012-0332-0
R. Sheikholeslami, B. G. Khalili and S. M. Zahrai, “Optimum Cost Design of Reinforced Concrete Retaining Walls Using Hybrid Firefly Algorithm,” Int. J. Eng. Technol., vol. 6, no. 6, pp. 465–470, Jan. 2014. https://doi.org/10.7763/IJET.2014.V6.742
C. V. Camp and A. Akin, “Design of Retaining Walls Using Big Bang–Big Crunch Optimization,” J. Struct. Eng., vol. 138, no. 3, pp. 438–448, Mar. 2012. https://doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000461
A. H. Gandomi, A. R. Kashani, D. A. Roke and M. Mousavi, “Optimization of retaining wall design using recent swarm intelligence techniques,” Eng. Struct., vol. 103, pp. 72–84, Jan. 2014. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2015.08.034
A. H. Gandomi, A. R. Kashani, D. A. Roke and M. Mousavi, “Optimization of retaining wall design using evolutionary algorithms,” Struct. Multidiscip. Optim., vol. 55, pp. 809–825, Jul. 2016. https://doi.org/10.1007/s00158-016-1521-3
M. G. Sahab, V. V. Toropov and A. H. Gandomi, “A Review on Traditional and Modern Structural Optimization: Problems and Techniques,” in Metaheuristic Applications in Structures and Infrastructures, 2013, pp. 25–47. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-398364-0.00002-4
S. Pezeshk and C. Camp, “State of the art on the use of genetic algorithms in design of steel structures,” Recent Adv. Optim. Struct. Des. pp. 1–31, 2002.
S. K. Das and P. K. Basudhar, “Comparison study of parameter estimation techniques for rock failure criterion models,” Can. Geotech. J., vol. 43, no. 7, pp. 764–771, Jan. 2011. https://doi.org/10.1139/t06-041
C. M. Páramo and O. B. Carrillo, “Solución de problemas de optimización topológica empleando el Algoritmo Simulated Annealing Modificado,” RIMNI, vol. 32, no. 2, pp. 65–69, May. 2016. https://doi.org/10.1016/j.rimni.2014.11.005
C. Millán, O. B. Carrillo and E. M. Romero, “Propuesta y validación de un algoritmo Simulated annealing modificado para la solución de problemas de optimización,” RIMNI, vol. 30, no. 4, pp. 264–270, Dec. 2014. https://doi.org/10.1016/j.rimni.2013.10.003
C. M. Páramo and E. Millán, “Algoritmo simulated annealing modificado para minimizar peso en cerchas planas con variables discretas,” INGE CUC, vol. 12, no. 2, pp. 9–16, Ago. 2016. https://doi.org/10.17981/ingecuc.12.2.2016.01
C. Millan-Paramo, “Modified Simulated Annealing Algorithm for Discrete Sizing Optimization of Truss Structure,” JJCE, vol. 12, no. 4, pp. 683–697, Jan. 2018.
Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System), ASTM D2487, Am. Soc. Test. Mater, West Conshohocken, USA, 2011. https://doi.org/10.1520/D1238-13
Stardard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit and Plasticity Index of Soils, ASTM D4318-10, Am. Soc. Test. Mater, West Conshohocken, USA, 2010.
Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer 1, ASTM D 854-14, Am. Soc. Test. Mater, West Conshohocken, USA,, 2014.
J. Arrieta, E. Moreira, R. Izzo and J. Rose, “Empirical Relationships with Unconfined Compressive Strength and Split Tensile Strength for the Long Term of a Lime-Treated Silty Soil,” J. Mater. Civ. Eng., vol. 8, no. 30, pp. 06018008, May. 2018. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002378
Cal-hidratada-para-argamassas, ABNT, NBR-7175, Assossiação Bras de Normas Técnicas, GRU, BR, 2003.
Solo - Ensaio de Compactação, ABNT, NBR 7182, Assossiação Bras de Normas Técnicas, GRU, BR, 2016.
Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions, ASTM D 3080-98, Am. Soc. Test. Mater, West Conshohocken, USA, 2003. https://doi.org/10.1520/D3080-98
G. G. Meyerhof, “Some Recent Research on the Bearing Capacity of Foundations,” Can. Geotech. J., vol. 1, no. 1, pp. 16–26, Jan. 2011, https://doi.org/10.1139/t63-003
J. B. Hansen, “A Revised and Extended Formula for Bearing Capacity,” Geotechnical Institute, Kgs, DK, Bull No 28, 1970.
H. G. Poulos and E. H. Davis, “Elastic solutions for soil and rock mechanics,” Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr, vol. 11, no. 8, pp. A159, Aug. 1974. https://doi.org/10.1016/0148-9062(74)91768-9
R. Whitman and F. Richart, “Design procedures for dynamically loaded foundations,” J. Soil Mech. Found. Div., vol. 93, no. 6, pp. 169–193, Feb. 1967.
S. Kirkpatrick, C. D. Gelatt and M. P. Vecchi, “Optimization by Simulated Annealing”, Science, vol. 220, no. 4598, pp. 671–680, May. 1983. https://doi.org/10.1126/science.220.4598.671
L. Lamberti, “An efficient simulated annealing algorithm for design optimization of truss structures,” Comput. Struct., vol. 86, no. 19-20, pp. 1936–1953, Oct. 2008. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2008.02.004
A. Vesic, Bearing Capacity for Shallow Foundations, N.Y., USA: Van Nostrand Reinhold Company, Inc., 1975.
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