Tối ưu hóa LCA của cầu bê tông dự ứng lực

Sự bền vững Bài báo Tối ưu hóa-LCA cầu bê tông dự ứng lực Vicent Penad é s-Pl 1, Tatiana Garc Tôi a-Segura 2, Jos é V Mart Tơi V Tơi ctor Yepes 1, * TƠI Viện Khoa học Công nghệ Bê tông (ICITECH), Đại học Polit è cnica de Val è vipepl2@cam.upv.esjvmartia@cst.upv.es è cnica de Val è tagarse@upv.es * vyepesp@cst.upv.es Nhận: 30/01/2018; Được chấp nhận: ngày tháng năm 2018; Xuất bản: ngày tháng năm 2018 Trừu tượng: Lĩnh vực xây dựng lĩnh vực hoạt động sơi nhất, có tác động kinh tế, mơi trường xã hội cao Vì lý này, thiết kế bền vững cấu trúc tòa nhà xu hướng cần phải tuân theo Cầu cấu trúc quan trọng lĩnh vực xây dựng, việc xây dựng bảo trì chúng quan trọng để đạt trì giao thơng tốt nơi khác Ngày nay, việc lựa chọn thiết kế cầu phụ thuộc vào tiêu chí kinh tế ban đầu tiêu chí khác cần xem xét để đánh giá khía cạnh mơi trường xã hội Hơn nữa, để có lựa chọn xác, cần phải tính đến thiếu sót tiêu chí vịng đời cầu Nghiên cứu nhằm mục đích phân tích tác động đến mơi trường vịng đời cấu trúc phù hợp theo quan điểm kinh tế Quy trình đánh giá vòng đời sử dụng để thu thập tất thông tin môi trường cầu Trong báo này, cầu đúc sẵn bê tơng dự ứng lực tối ưu hóa chi phí sau đó, đánh giá vịng đời thực để đạt thông tin môi trường cầu Từ khóa: Sự bền vững; cầu; đánh giá vịng đời; tối ưu hóa; Cơng thức Giới thiệu Cơ sở cho việc xác định phát triển bền vững nằm báo cáo Ủy ban Brundtland [ ], mơ tả “ phát triển đáp ứng nhu cầu hệ mà không ảnh hưởng đến nhu cầu hệ tương lai ” Ý tưởng ngụ ý xem xét khía cạnh khác ba thành phần chính: kinh tế, mơi trường xã hội Do đó, đạt phát triển bền vững bao hàm đồng thuận ba trụ cột này, thường có mục tiêu khác Wass cộng [ ] tuyên bố phát triển bền vững ngụ ý chiến lược định phải xem xét Ra định q trình giúp tìm giải pháp cung cấp dung hịa khía cạnh khác đạt giải pháp bền vững [ , ] Lĩnh vực xây dựng lĩnh vực hoạt động tích cực lĩnh vực có ảnh hưởng lớn đến khía cạnh kinh tế, môi trường xã hội giới Điều cho thấy nhu cầu xu hướng bền vững tịa nhà cơng trình Một cấu trúc quan trọng lĩnh vực cầu Việc xây dựng bảo trì cầu quan trọng để tạo giữ cho giao thơng tốt nơi khác Vì lý này, việc đánh giá phát triển bền vững tồn vịng đời cần thiết Trong ba thành phần phát triển bền vững, khía cạnh xã hội nghiên cứu có nhiều nghi ngờ đánh giá Ngược lại, khía cạnh kinh tế mơi trường nghiên cứu chuyên sâu thật thuận tiện việc xem xét chúng phù hợp Sự bền vững 2018, 10, 685; doi: 10.3390 / su10030685 www.mdpi.com/journal/sustainability Sự bền vững 2018, 10, 685 17 chi phí tác động mơi trường thấp Mặc dù hai trụ cột bền vững có điểm khác mục tiêu, số cơng trình nêu có mối quan hệ chi phí CO phát thải cấu trúc [ , ] Do đó, giảm chi phí đồng nghĩa với việc giảm lượng CO khí thải Thu chi phí CO thấp khí thải nghiên cứu số cơng trình Các thuật tốn tối ưu hóa thường sử dụng để giảm chi phí CO phát thải cơng trình Trong số trường hợp, điều liên quan đến việc tối ưu hóa đơn mục tiêu chi phí CO khí thải [ - ], công trình khác thực tối ưu hóa đa mục tiêu để đạt hai mục tiêu lúc [ số , ] Mặc dù mối quan hệ chi phí CO phát thải, tác động môi trường đánh giá cách lấy vào tài khoản CO khí thải [ 10 ] Vì lý này, đánh giá tác động môi trường phải đạt hồ sơ môi trường hồn chỉnh Hồ sơ mơi trường hồn chỉnh lấy cách sử dụng quy trình đánh giá vòng đời (LCA) LCA phương pháp đánh giá tác động môi trường quan trọng chấp nhận [ 11 - 16 ], làm cho trở thành cơng cụ tuyệt vời để đánh giá tác động môi trường cầu Trong báo này, cầu 40 m bê tông dự ứng lực chọn làm chủ đề LCA tối ưu hóa Việc tối ưu hóa chi phí làm giảm chi phí cầu trực tiếp CO liên kết khí thải cách gián tiếp Q trình làm cho đạt cầu tối ưu hóa chi phí với tác động mơi trường thấp Sau hồn thành tối ưu hóa, tất tính chi phí tối ưu hóa Cây cầu biết đến, bao gồm chi phí tác động mơi trường chưa thực LCA làm cho đạt lợi ích mơi trường hồn chỉnh cho cầu tối ưu hóa chi phí Với phương pháp luận này, cầu có chi phí tối ưu hóa trực tiếp tác động mơi trường cải thiện cuối thực LCA suốt thời gian tồn Với mục đích này, thuật tốn memetic kết hợp sử dụng để thực việc tối ưu hóa chi phí cầu Sau đó, sở liệu Ecoinvent [ 17 ] phương thức ReCiPe [ 18 ] sử dụng để tiến hành trình LCA cầu Tối ưu hóa Q trình tối ưu hóa sử dụng để đạt giải pháp tốt cho vấn đề Quá trình thay rõ ràng cho thiết kế dựa kinh nghiệm Các phương pháp tối ưu hóa phân loại thành phương pháp xác phương pháp heuristic Một mặt, phương pháp xác dựa thuật tốn tốn học giúp có giải pháp tối ưu toàn cục [ 19 ] Mặt khác, phương pháp heuristic, bao gồm số lượng lớn thuật toán [ 20 ], thu giải pháp tối ưu giải pháp ban đầu Các phương pháp xác hữu ích tốn có số lượng nhỏ biến, thời gian tính tốn trở nên khơng khả thi số lượng lớn biến Các tốn tối ưu hóa kết cấu vấn đề cần giải số lượng lớn biến thiết kế phương pháp heuristic phương pháp hữu ích để tối ưu hóa kết cấu Có số lượng lớn cơng trình sử dụng thuật tốn heuristic để tối ưu hóa loại cấu trúc khác [ số , , 21 ] Đánh giá vòng đời Đánh giá vòng đời (LCA) phương pháp quan trọng chấp nhận để đánh giá tác động mơi trường sản phẩm, q trình dịch vụ tồn vịng đời nó, có tính đến tất hoạt động liên quan, coi đầu vào kết đầu Các giới hạn xác định cho đầu vào đầu ranh giới hệ thống đại diện cho sơ đồ xem xét LCA phải hồn chỉnh phải xem xét tất hoạt động cần thiết để đạt sản phẩm, q trình dịch vụ Do đó, tập trung vào lĩnh vực xây dựng, LCA đầy đủ kết cấu phải xem xét tất hoạt động từ thu mua vật liệu thô kết thúc vòng đời Các hoạt động liên quan đến tồn vịng đời kết cấu nhóm lại thành giai đoạn sản xuất, giai đoạn xây dựng, giai đoạn sử dụng bảo trì giai đoạn cuối vịng đời LCA làm cho thực đánh giá tác động môi trường tập hợp hoạt động liên quan đến giai đoạn khác vòng đời cấu trúc tác động mơi trường tồn cầu cách thêm giai đoạn Đối với tất điều đó, LCA công cụ tuyệt vời để đánh giá tác động môi trường cấu trúc ISO 14040: 2006 [ 22 ] Sự bền vững 2018, 10, 685 17 cung cấp hướng dẫn việc thực LCA, chia thành bốn bước: (1) xác định mục tiêu phạm vi; (2) phân tích hàng tồn kho; (3) đánh giá tác động; (4) diễn giải Bước xác định tất thông số kỹ thuật xem xét LCA Điều liên quan đến đặc điểm khác việc xác định mục tiêu phạm vi, chẳng hạn kiểm kê vịng đời tính đến, phương pháp đánh giá vòng đời xem xét, đơn vị chức giả định hạn chế xem xét LCA Theo hướng dẫn ISO 14040: 2006 [ 22 ], việc mô tả đặc điểm số giả định hạn chế LCA tạo điều kiện cho việc kiểm kê chu kỳ sống sau đánh giá vòng đời Một đặc điểm quan trọng khác đơn vị chức đại diện cho đơn vị mà đánh giá giới thiệu Phân tích hàng tồn kho việc thu thập liệu cần thiết để xác định đầu vào đầu đại diện cho hệ thống nghiên cứu Dữ liệu lấy theo nhiều cách khác nhau: từ phép đo trực tiếp, tài liệu nguồn khác sở liệu Cách phổ biến để lấy liệu từ sở liệu Khi bước hoàn thành, đánh giá tác động môi trường sử dụng để đánh giá kết phân tích kiểm kê nhằm thu số môi trường đại diện cho lợi ích mơi trường sản phẩm, q trình dịch vụ Có nhiều phương pháp khác để biểu thị lợi ích mơi trường Các phương pháp nhóm lại thành hai cách tiếp cận khác nhau: đánh giá điểm điểm cuối Cách tiếp cận điểm xác định lợi ích mơi trường tập hợp loại tác động cách tiếp cận điểm cuối xác định lợi ích mơi trường tập hợp hạng mục thiệt hại Có ba loại thiệt hại (sức khỏe người, cạn kiệt tài nguyên hệ sinh thái) loại tác động nhóm lại Do đó, cách tiếp cận điểm cung cấp lợi ích hồn chỉnh mơi trường, việc giải thích [ 23 ] Ngược lại, cách tiếp cận điểm cuối không cung cấp lợi ích môi trường chi tiết cách tiếp cận điểm dễ hiểu Cuối cùng, thông tin thu phải giải thích Vì mục đích này, việc phân tích giai đoạn khác vịng đời cầu thực Ngoài ra, nghiên cứu tác động môi trường sản phẩm, q trình dịch vụ thực để cải thiện tác động môi trường liên quan đến hoạt động Nghiên cứu điển hình Với mục đích cơng việc này, cầu chọn để thực tối ưu hóa-LCA Đầu tiên, việc tối ưu hóa chi phí cầu thực sau LCA cầu tối ưu hóa chi phí áp dụng để có lợi ích hồn chỉnh môi trường Trong điểm tiếp theo, mô tả xác cầu trình bày sau việc tối ưu hóa chi phí LCA mô tả chi tiết cho cầu mô tả 4.1 Mô tả Cầu nối Cầu nghiên cứu cầu bê tông dự ứng lực nhịp dài 40 m Mặt cắt cầu tạo thành hai dầm đẳng áp bê tông dự ứng lực, có mặt cắt hình chữ U Mặt cắt ngang tích hợp bê tông cốt thép cao 12 m Lưu ý kết cấu phụ không đưa vào phân tích phụ thuộc vào đặc điểm mặt đất địa chất Nhân vật cho thấy nhìn chung cầu Cầu nằm khu vực ven biển phía đơng Tây Ban Nha mơi trường xung quanh tương ứng với XC-4 theo EN 206-1 [ 24 ] Như vậy, ăn mòn chủ yếu q trình cacbonat hóa Sự bền vững 2018, 10, 685 Sự bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁ PEER 17 17 Hình1.1 Hình ảnh tổng thể cầu củabê cầu bêdự tơng ứng lực Hình Hình ảnh tổng thể tơng ứngdự lực 4.2 Tối ưu hóa 4.2 Tối ưu hóa Trong phần này, giải thích khả tối ưu hóa chi phí cầu đúc sẵn bê tơng dự ứng lực Q Trong phần này, việc tối ưu hóa chi phí cầu bê tông dự ứng lực giải thích trình tối ưu hóa bao gồm việc giảm thiểu chi phí C số hạn chế g j hài lịng Q trình tối ưu hóa bao gồm việc giảm thiểu chi phí C số hạn chế g j thỏa mãn C = f (x 1, x 2, , x n) ,,,…,…, (1) (1) (2) (2) g j ( x 1, x 2, , x n) ≤ Lưu ý x 1, x 2, …, x n biến thiết kế sử dụng để tối ưu hóa Hàm mục tiêu C thể chi phí cầu chếsử g jdụng cácđểtrạng hạn khả sử dụng (SLS), Lưu ý x 1, xcủa 2, , x n cácvà biến thiết hạn kế tối ưuthái hóa.giới Hàm mục tiêu thái cuối (ULS), cácgtrạng giới hạn bền sử ràng buộc hình Ccác thểtrạng chi phígiới hạn cầu vàcùng hạn chế j cácthái trạng thái giớiđộ hạn khảvànăng dụng (SLS), cáchọc trạng khảgiới toán 40giới biến thiết kế, bao gồm biến xácxây định hình dạng mặt thái hạnxây cuốidựng (ULS), trạngCó thái hạn độ bền hình họctám khả dựng cắt, hai biến bêCó tơng số kế, dầm, xácsốđịnh théphình dự ứng 26cắt, biến xác số hạn chếxác định vấn đề 40 biến thiết baobốn gồmbiến biến xác định dạnglực củavà mặt biến định cốtbêthép nữa, tập hợp tham khơng đếnsốvấn tốicốt ưuthép hóa,Hơn xác định tơng Hơn vàcó dầm, biến số xác định thépsố ứng suất ảnh trướchưởng 26 biến xácđề định chẳng hạntập chiều rộng,sốnhịp liên độ nghiêng web Các ràng buộc cấurộng, trúc nữa, có hợp tham không quan đếncủa vấn trang đề tối ưu hóa, chẳng hạn nhưvề chiều khoảng xemvàxét mã trang tiếngweb Tây Các Banràng Nhabuộc [25,26] Các ULS minh điệncác trở cuối cách độtheo nghiêng cấu trúc đãxác xemxem xét theo mã tiếng Tây có Banlớn Nha [ 25 ứng tảiminh cuốixem hay Bêncócạnh đó,hiệu lượng tối thiểu cho yêu cầuđó, vềlượng , 26 ] hiệu Các ULS xác điện trởkhông cuối lớn ứngcốt tải thép cuối hay khơng Bên cạnh ứng suất cáccho điều xét hình SLSshọc kiểm trađược khía khác cốt thép tốivà thiểu cáckiện yêu hình cầu vềhọc ứngcũng suất xem điều kiện xem cạnh xét SLSs kiểm tra Trạng thái giới hạnTrạng nứt đòi tuân củasự vếtthủ nứtcủa docác nén căng, trạng thái giới khía cạnh khác tháihỏi giớisự hạn nứtthủ địi hỏi tuân vếtvà nứt nén căng, hạn nén đặtkhu thép Sai lệch giớichỉnh hạnsửa 1/1000 chiều nhịp trống trạng thái giới hạnkhu nénvực vựcdự đặtứng théplực dự ứng lực Các bước giới hạndài 1/1000 cho tổ phần viễn ra, độ mỏi củara, bêđộ tông xem xét nghiên chiều dàihợp nhịpbán trống cho vĩnh tổ hợp bán Ngoài phần vĩnh viễn Ngồi mỏi củathép bê tơng thép xem xét cứu Bảng tóm tắt1các vàcác SLSULS xem xét.xem xét nghiên cứu1này Bàn tómULS tắt SLS Trong tối ưu hóa này, thuật toán hybridmemetic (MA) áp dụng TheMA cách tiếp cận dựa hợpnày, để tối ưu hóatốn ngẫumemetic nhiên kết kiếm song MA song sử dụng bởidựa thuật Trong tối tập ưu hóa thuật lai hợp (MA)tìm áp dụng cách tiếp cận tốnthể tiến vớihóa tìm ngẫu kiếm nhiên cục bộkết giải pháp thành tập [27] kiếm cụctiến bộhóa tổng đểhóa tối ưu hợp tìm kiếmtạo song songmột sửhợp dụng bởiVề cáctìm thuật tốn vớisử dụng, tìm vùng cậntạo theo độ sâu thay đổi[(VDNS) sử dụng thể tìmvùng kiếmlân tìm kiếm cụckiếm giảilân pháp thành tập hợp 27 ] Vềđược tìm kiếm cục sửbiến dụng, tìmcủa kiếm vùng cậnthay quy đổi mô(VDNS) lớnđược (VLSN) MA-VDNS tập hợp ngẫu cận có lân độ sâu sử [28] dụngTrong biến thểnày, tìm kiếm vùng500 lângiải cận pháp quy mô lớn nhiên (VLSN)([n) 28được ] tạo raMA-VDNS dạng dân số.tập Sau đó,500 giải pháp nàynhiên được( cải thiệntạo cáchdạng tìm kiếm VDNS Trong này, hợp giải pháp ngẫu n) dân số Sau để đó,đạt mỗiđược giải mức tối ưu cụccảibộ Để đạt này, VDNS thuật để toán đầu chỉbộ thay khithuật mười pháp thiện cáchđiều tìm kiếm đạtbắt mức tối cách ưu cục Để đổi đạt đượcbiến điềuvà này, chuyển động liêncách tiếp thực mà khơng cải thiện ( no_imp), có gia tăng sốmà lượng cáccải biến toán bắt đầu thay đổihiện biến mười chuyển động liên tiếpsự thực không ( var) thay đổi đồng thời, lên đến tám Sau đó, với quần thể cải tiến này, thuật toán di thiện ( no_imp), có gia tăng truyền áp dụng Thuật toán di truyền phát triển quần thể, quần thể chịu chuyển động ngẫu nhiên (đột biến giao thoa), bảo toàn Sự bền vững 2018, 10, 685 17 với số lượng biến ( var) thay đổi đồng thời, lên đến tám Sau đó, với quần thể cải tiến này, thuật toán di truyền áp dụng Thuật toán di truyền phát triển quần thể, vốn chịu thay đổi ngẫu nhiên (đột biến giao thoa), bảo tồn giải pháp thích nghi tốt Đánh giá chi phí có tính đến chi phí phạt; nhiên, VDNS khơng xem xét chi phí phạt (chỉ chấp nhận giải pháp khả thi) để tránh phân kỳ sớm thuật toán bền vững 2018, 10, x ĐỂ ĐÁNH GIÁhệ PEER 17 toán VDNSSựđược áp dụng cho lên đến 150 hệ Nhân vật hiển thị biểu đồ fl ow thuật memetic kết hợp giải pháp thích ứng tốt Đánh giá chi phí có tính đến chi phí phạt; nhiên, VDNS khơng xem xét chi phí phạt (chỉ chấp nhận giải pháp khả thi) để tránh phân kỳ sớm thuật toán VDNS áp dụng cho hệ lên đến 150 hệ Hình cho thấy sơ đồ thuật toán memetic lai Bảng Trạng thái giới hạn khả sử dụng cuối Giới hạn tiểu bang Bảng Trạng thái giới hạn khả sử dụng cuối Uốn dẻo Giới hạn tiểu bang Cắt dọc Uốn dẻo Cắt dọc Cắt dọc Đấm Cắt dọccắt Xoắn Đấm cắt Lực xoắn kết hợp với fl exure shear Xoắn Đến F r a si t o ig n u c e ombined với độ uốn cắt Fa C ti r g a u c e k chiều rộng