Optimización de CO2 y costo de zapatas de concreto reforzado sobre un suelo tratado con cal usando algoritmo de recocido simulado modificado

Resumen

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.

Palabras clave: Suelo de cal, optimización multiobjetivo, algoritmo de recocido simulado modificado, ; cimentaciones

Referencias

B. Celauro, A. Bevilacqua, D. Lo Bosco, C. Celauro, Design Procedures for Soil-Lime Stabilization for Road and Railway Embankments. Part 1-Review of Design Methods, Procedia - Soc. Behav. Sci. 53 (2012) 754–763. https://doi.org/10.1016/j.sbspro.2012.09.925

P.T. Sherwood, Soil stabilization with cement and lime: state-ofthe-art review, Transport Research Laboratory, London, 1993.

N.C. Consoli, M. Bellaver Corte, L. Festugato, Key parameter for tensile and compressive strength of fibre-reinforced soil–lime mixtures, Geosynth. Int. 19 (2012) 409–414. https://doi.org/10.1680/gein.12.00026

J.A. Baldovino, E.B. Moreira, W. Teixeira, R.L.S. Izzo, J.L. Rose, Effects of lime addition on geotechnical properties of sedimentary soil in Curitiba, Brazil, J. Rock Mech. Geotech. Eng. (2017) 1–7. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2017.10.001

A.A. Al-Rawas, A.W. Hago, H. Al-Sarmi, Effect of lime, cement and Sarooj (artificial pozzolan) on the swelling potential of an expansive soil from Oman, Build. Environ. 40 (2005) 681–687. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2004.08.028

B. Das, Principios de ingeniería de cimentaciones, 2006.

Y. Wang, F.H. Kulhawy, Economic Design Optimization of Foundations, J. Geotech. Geoenvironmental Eng. 134 (2008) 1097–1105. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2008)134:8(1097).

M. Khajehzadeh, M.R. Taha, A. El-Shafie, M. Eslami, Modified particle swarm optimization for optimum design of spread footing and retaining wall, J. Zhejiang Univ. A. 12 (2011) 415–427. https://doi.org/10.1631/jzus.A1000252

C. V. Camp, A. Assadollahi, CO2 and cost optimization of reinforced concrete footings using a hybrid big bang-big crunch algorithm, Struct. Multidiscip. Optim. 48 (2013) 411–426. https://doi.org/10.1007/s00158-013-0897-6

C. V. Camp, A. Assadollahi, CO2and cost optimization of reinforced concrete footings subjected to uniaxial uplift, J. Build. Eng. 3 (2015) 171–183. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2015.07.008

B. Ahmadi-Nedushan, H. Varaee, Optimal Design of Reinforced Concrete Retaining Walls using a Swarm Intelligence Technique, in: Proc. 1st Int. Conf. Soft Comput. Technol. Civil, Struct. Environ. Eng. Stirlingsh., 2009. https://doi.org/10.4203/ccp.92.26

M. Khajehzadeh, M.R. Taha, A. El-Shafie, M. Eslami, Economic design of retaining wall using particle swarm optimization with passive congregation, Aust. J. Basic Appl. Sci. 4 (2010).

M. Khajehzadeh, M. Eslami, Gravitational search algorithm for optimization of retaining structures, Indian J. Sci. Technol. 5 (2012) 1821–1827. https://doi:10.17485/IJST/2012/V5I1/30937.

V. Yepes, J. Alcala, C. Perea, F. González-Vidosa, A parametric study of optimum earth-retaining walls by simulated annealing, Eng. Struct. 30 (2008) 821–830. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2007.05.023

A. Kaveh, A.S.M. Abadi, Harmony search based algorithms for the optimum cost design of reinforced concrete cantilever retaining walls, Int. J. Civ. Eng. 9 (2011) 1–8.

A. Kaveh, A.F. Behnam, Charged System Search Algorithm for the Optimum Cost Design of Reinforced Concrete Cantilever Retaining Walls, Arab. J. Sci. Eng. 38 (2013) 563–570. https://doi.org/10.1007/s13369-012-0332-0

R. Sheikholeslami, B. Gholipour Khalili, S.M. Zahrai, Optimum Cost Design of Reinforced Concrete Retaining Walls Using Hybrid Firefly Algorithm, Int. J. Eng. Technol. 6 (2014) 465–470. https://doi.org/10.7763/IJET.2014.V6.742.

C. V. Camp, A. Akin, Design of Retaining Walls Using Big Bang–Big Crunch Optimization, J. Struct. Eng. 138 (2012) 438–448. https://doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000461

A.H. Gandomi, A.R. Kashani, D.A. Roke, M. Mousavi, Optimization of retaining wall design using recent swarm intelligence techniques, Eng. Struct. 103 (2015) 72–84. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2015.08.034

A.H. Gandomi, A.R. Kashani, D.A. Roke, M. Mousavi, Optimization of retaining wall design using evolutionary algorithms, Struct. Multidiscip. Optim. 55 (2017) 809–825. https://doi.org/10.1007/s00158-016-1521-3

M.G. Sahab, V. V. Toropov, A.H. Gandomi, A Review on Traditional and Modern Structural Optimization: Problems and Techniques, in: Metaheuristic Appl. Struct. Infrastructures, 2013: pp. 25–47. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-398364-0.00002-4

S. Pezeshk, C. Camp, State of the art on the use of genetic algorithms in design of steel structures, Recent Adv. Optim. Struct. Des. (2002) 1–31.

S.K. Das, P.K. Basudhar, Comparison study of parameter estimation techniques for rock failure criterion models, Can. Geotech. J. 43 (2006). https://doi.org/10.1139/t06-041

C. Millán Páramo, O. Begambre Carrillo, Solución de problemas de optimización topológica empleando el Algoritmo Simulated Annealing Modificado, Rev. Int. Métodos Numéricos Para Cálculo y Diseño En Ing. 32 (2016) 65–69. https://doi.org/10.1016/j.rimni.2014.11.005

C. Millán Páramo, O. Begambre Carrillo, E. Millán Romero, Propuesta y validación de un algoritmo Simulated annealing modificado para la solución de problemas de optimización, Rev. Int. Métodos Numéricos Para Cálculo y Diseño En Ing. 30 (2014) 264–270. https://doi.org/10.1016/j.rimni.2013.10.003

C. Millán Páramo, E. Millán Romero, Algoritmo simulated annealing modificado para minimizar peso en cerchas planas con variables discretas, INGE CUC. 12 (2016) 9–16. https://doi.org/10.17981/ingecuc.12.2.2016.01

C. Millan-Paramo, Modified Simulated Annealing Algorithm for Discrete Sizing Optimization of Truss Structure, Jordan J. Civ. Eng. 12 (2018) 683–697.

ASTM, ASTM D2487 - Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System), ASTM Int. (2011) 1–16. https://doi.org/10.1520/D1238-13

ASTM, ASTM D4318-10 Stardard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit and Plasticity Index of Soils, ASTM Int. West Conshohocken, Pa. (2010).

ASTM, ASTM D 854 - 14 Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer 1, ASTM Int. West Conshohocken, Pa. (2014).

J.A. Baldovino, E.B. Moreira, R.L. dos S. Izzo, J.L. 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. 30 (2018) 06018008. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002378

ABNT, NBR-7175-cal-hidratada-para-argamassas, (2003).

ABNT, NBR 7182 - Solo - Ensaio de Compactação, Assossiação Bras. Normas Técnicas. (2016).

ASTM D 3080-98, Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained, Am. Soc. Test. Mater. (2003) 5–12. https://doi.org/10.1520/D3080-98

G.G. Meyerhof, Some Recent Research on the Bearing Capacity of Foundations, Can. Geotech. J. 1 (1963) 16–26. https://doi.org/10.1139/t63-003

J. B. Hansen, A Revised and Extended Formula for Bearing Capacity, Danish Geotechnical Institute, Copenhagen, 1970.

H.G. Poulos, E.H. Davis, Poulos and Davis Elastic solutions for soil and rock mechanics, 1974. https://doi.org/10.1016/0148-9062(74)91768-9

R.W.F. Richart, Dynamic procedures for dynamically loaded foundations, J. Soil Mech. Found. Div. (1967).

S. Kirkpatrick, C.D. Gelatt, M.P. Vecchi, Optimization by Simulated Annealing, Science (80-. ). 220 (1983) 671–680. https://doi.org/10.1126/science.220.4598.671

L. Lamberti, An efficient simulated annealing algorithm for design optimization of truss structures, Comput. Struct. 86 (2008) 1936–1953. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2008.02.004

A. Vesic, Soil-Bearing Capacity for Shallow Foundations, 1975.

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Publicado
2020-01-28
Cómo citar
Arrieta Baldovino, J., Millán Páramo, C., dos Santos Izzo, R., & Moreira, E. (2020). Optimización de CO2 y costo de zapatas de concreto reforzado sobre un suelo tratado con cal usando algoritmo de recocido simulado modificado. INGE CUC, 16(1). https://doi.org/10.17981/ingecuc.16.1.2020.07
Sección
Artículos