Optimización multi-objetivo aplicada a problemas reales de ingeniería civil

Laburpena

En las dos últimas décadas se han producido muchos avances en el campo de la optimización multi-objetivo con metaheurísticas, pero han sido pocos los trabajos que han abordado problemas de ingeniería civil del mundo real, como el dimensionamiento integral de estructuras de barras espaciales que incluyen nodos rígidos, materiales distintos y efectos de segundo orden. El dimensionamiento integral de una estructura civil en una sola etapa, es decir, determinar los parámetros geométricos de las secciones transversales de todos los elementos que componen la estructura, se vuelve cada vez más complejo cuando el tamaño de la estructura crece. Éste es un problema de optimización multi-objetivo con restricciones porque si se quiere reducir costes económicos (en términos de la cantidad de material utilizado) no se puede hacer sin tener en cuenta las deformaciones que pueden dejar a la estructura fuera de servicio. En este punto entran en juego las restricciones que limitan las soluciones para que la estructura sea estable, garantizando la resistencia de los materiales y las proporciones geométricas (espesor - altura de las placas y ancho - alto de las barras). En este contexto, se ha realizado una revisión del estado del arte que ha dado lugar a la publicación: "A Survey of Multi-objective Metaheuristics. Applied to Structural Optimization. Structural and Multidisciplinary Optimization. Volumen 59, Número 4, páginas: 537-558. 2013", donde se han recopilado 58 artículos relevantes desde 1992 hasta 2012. También se ha propuesto una clasificación con la que se ha logrado agrupar y determinar la complejidad de los problemas y que técnicas metaheurísticas empleadas para el diseño estructural. Las conclusiones alcanzadas han sido que se ha investigado poco sobre el comportamiento de las técnicas metaheurísticas de optimización multi-objetivo para resolver problemas como el planteados en este trabajo de tesis, así como que tampoco se han utilizado técnicas recientes. Para poder investigar sobre metaheurísticas multi-objetivo y la resolución de problemas de estructuras civiles ha sido necesario de implementar nuevas herramientas software que no estaban disponibles. El enfoque seguido ha sido combinar un software de diseño de estructuras realizado por el doctorando llamado Ebes (Estructuras de Barras Espaciales) con el framework de optimización multi-objetivo jMetal. El resultado ha sido la herramienta jMetal+EBEs, que se ha publicado en "Integrating a Multi-Objective Optimization Framework Into a Structural Design Software. Advances in Engineering Software. Volumen 76, páginas: 161-170. Octubre 2014". Las líneas de investigaciones abiertas han propiciado investigar la factibilidad y eficiencia de los algoritmos para diseñar estructuras civiles de diferente complejidad. En este contexto, se han diseñado dos puentes atirantados de distinto tamaño, dando lugar a dos problemas de corte real, y se han abordado con un conjunto representativo de metaheurísticas multi-objetivo representativas del estado del arte. El estudio llevado a cabo se ha presentado en el artículo "Structural Design using Multiobjective Metaheuristics. Comparative Study and Application to a Real World Problem. Structural and Multidisciplinary Optimization. Aceptado el 21 de Junio de 2015." En el cuarto artículo que avala la tesis doctoral ("Distributed multiobjective metaheuristics for real-world structural optimization problems". Computer Journal. En prensa desde el 21 de Agosto de 2014) se ha realizado un estudio sobre una estructura civil de muy alta dimensionalidad, que consiste en un puente atirantado de más de 160 metros de largo. Abordar su resolución ha obligado a implementar metaheurísticas paralelas para poder usar un clúster de más de 400 núcleos, con el que se han obtenido resultados satisfactorios en unas horas que, de otra manera, usando un único ordenador, hubiera llevado más de medio año de cómputo.