Optimización Estructural Mediante Algoritmos Computacionales Inspirados en la Naturaleza

A día de hoy, el sector de la construcción se posiciona como uno de los principales consumidores de materias primas y notable contribuidor a la emisión de gases de efecto invernadero. Realizar un uso eficiente de los materiales se convierte en una prioridad para lograr el desarrollo sostenible del sector desde un punto de vista económico, social y medioambiental. La optimización estructural es la línea de ingeniería e investigación encargada de desarrollar y aplicar técnicas que permiten diseñar estructuras capaces de soportar las cargas a las que son sometidas, bajo unas restricciones y condiciones de contorno definidas por el proyectista, utilizando para ello la menor cantidad de material necesaria. Hasta mediados de la segunda mitad del siglo XX, los métodos de optimización disponibles se trataban en su gran mayoría de procedimientos exactos que requerían de funciones continuas y derivables para ser aplicados y generalmente específicos para cada problema, de una utilidad limitada en el campo de la ingeniería de estructuras. Con la llegada de la computación, en las últimas décadas han aparecido numerosas técnicas conocidas como metaheurísticas con una gran versatilidad que permiten obtener soluciones óptimas de manera aproximada. Dentro de este campo, resulta de especial interés los Algoritmos Inspirados en la Naturaleza (NIA), por su simplicidad de aplicación y reducidos tiempos de procesamiento. Por otro lado, los avances tecnológicos han favorecido el desarrollo de herramientas de diseño estructural basadas en el diseño paramétrico. Esta metodología permite al proyectista estudiar distintas distribuciones estructurales y soluciones de difícil concepción de una forma automatizada, reduciendo los tiempos de diseño y abriendo el camino a nuevos esquemas estructurales. En la actualidad, la literatura existente presenta limitados estudios comparativos respecto a la aplicación de optimización estructural con algoritmos NIA integrados en el espacio de diseño paramétrico. El objetivo del presente Trabajo de Fin de Máster consiste en estudiar la idoneidad de las tres ramas principales de los algoritmos inspirados en la naturaleza aplicándolos en el diagrama de flujo de diseño paramétrico y análisis estructural. Para ello, en primer lugar se presenta un análisis del estado del arte de la optimización de estructuras y de los NIA de mayor aplicación en este campo. Posteriormente, se plantean tres casos de estudio de estructuras metálicas definidos en orden ascendente de complejidad de optimización según el número de variables de diseño empleadas. El primer caso integra la optimización de la sección de un voladizo sometido a restricciones de deformaciones. El segundo caso trata la optimización seccional y geométrica de la estructura de sustento de una cubierta laminar de acero y vidrio de dimensiones reducidas sujeta a restricciones de deformaciones y tensiones. El tercer caso aplica la optimización de forma y geometría a la estructura de soporte de la cubierta laminar de acero y vidrio de un estadio sujeta a su vez a restricciones de deformaciones y tensiones. Los casos de estudio han sido definidos en su totalidad en el entorno paramétrico de Grasshopper®, el análisis estructural se ha llevado a cabo mediante el solver Karamba®, y la optimización de la estructura se ha realizado aplicando el Algoritmo Genético (GA) como Algoritmo Evolutivo, el Algoritmo de Enjambre de Partículas (PSO) como Algoritmo de Inteligencia de Enjambre y el Algoritmo de Búsqueda Gravitacional (GSA) como Algoritmo basado en Procesos Físicos y Químicos. Los resultados de aplicación muestran un alto rendimiento de los tres algoritmos NIA analizados para el caso de estudio de optimización estructural sencilla y un rendimiento destacable del algoritmo PSO en un reducido número de iteraciones al aumentar las dimensiones del problema estructural