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Optimizing Tied - Arch Bridges for Sustainability: A Study on Arch Size and Shape Modification

In a world focused on environmental sustainability, optimizing the design of road bridges not only brings economic advantages but also plays a crucial role in promoting a greener and more environmentally conscious future. Utilizing optimization algorithms and parametric designs is a pivotal key in achieving this objective, allowing us to design infrastructures that are both sustainable and resilient, especially those characterized by a significant amount of carbon dioxide emissions (CO2) like bridges. To address this need, we developed an optimization algorithm that assesses the environmental impact of tied-arch bridges, a common infrastructure type worldwide. Our algorithm focuses on the arch’s geometry, particularly its shape and cross-sections, and it is tailored to road bridges made of steel that are straight and have a deck with constant length and width. To evaluate our system, we studied an existing tied-arch bridge and its arch’s steel usage, cost and CO2 equivalent emissions. In order to formulate an optimization plan, these metrics were then compared with those of five different variations of the same bridge with altered parameters generated with the algorithm. The results of the studied variants confirm the actual design quality of the analyzed bridge, but suggest a non-negligible potential for carbon dioxide reduction of up to 6.80 %.

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1 Introduction In a continuously evolving world, the field of civil engineering plays an increasingly fundamental role in a nation’s development. The need to create sustainable and resilient infrastructure, capable of minimizing environmental degradation and pre- serving natural resources for future generations, has become an absolute priority. In fact, Long et al. [1] affirm that the impact of global emissions and climate change is significantly influenced by urban centers worldwide, encompassing only 2 % of the Earth’s surface yet contributing to nearly 80 % of carbon emissions from human activities. The urban setting directly shapes our living standards, social welfare, and health. Therefore, the attributes and excellence of our infrastructures play a pivotal role in favoring urban sustainability and the overall health of our surroundings, considering that they constitutes at least 50 % of our national wealth [1]. In this context, parametric designs and optimization algorithms emerge as essential tools for guiding the decision-making process in civil engineering, enabling the planning of efficient and environmentally responsible solutions. Hence, extensive research and practical applications of new materials, construction methods, and design techniques are necessary [2]. This thesis focuses on modern optimization algorithms and parametric designs to evaluate the environmental impact of tied-arch bridges (a common infrastructure type worldwide). The focus is directed towards the arch’s shape and geometries with the aim of reducing steel requirements, consequently lowering costs and carbon dioxide emissions. To achieve this objective, a real tied-arch bridge was analyzed to validate the algorithm. This first chapter serves as an introduction to the topic. The second chapter begins with an introduction to the fundamental concepts of the optimization process, guiding the reader to the subsequent discussion on structural optimization. It further delves into the properties of tied-arch bridges and influence lines. Finally, the chapter addresses the analyses conducted on them in accordance with the Eurocodes, followed by the definition of the Global Warming Potential (GWP) [3], [4]. In the third chapter, an extensive exploration of the algorithm is given. This includes an in-depth look at the modeling of the optimization problem, the process of sizing and modeling the arch, the development of a finite element model (FEM), and the management of constraints. This chapter is the most comprehensive, and great care and attention were given to its content. 1

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Informazioni tesi

  Autore: Filippo Ribes
  Tipo: Laurea II ciclo (magistrale o specialistica)
  Anno: 2022-23
  Università: Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria civile e ambientale
  Relatore: Bruno Briseghella
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 70

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Parole chiave

sustainability
civil engineering
bridge
global warming potential
premio alberto giovannini
webuild
computational based optimization
tied-arch bridge
carbon dioxide emission
parametrization

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