Optimization of the structural design of asphalt pavements for streets and highways

Abstract

The construction of asphalt pavements in streets and highways is an activity that requires optimizing the consumption of significant economic and natural resources. Pavement design optimization meets contradictory objectives according to the availability of resources and users’ needs. This dissertation explores the application of metaheuristics to optimize the design of asphalt pavements using an incremental design based on the prediction of damage and vehicle operating costs (VOC). The costs are proportional to energy and resource consumption and polluting emissions. The evolution of asphalt pavement design and metaheuristic optimization techniques on this topic were reviewed. Four computer programs were developed: (1) UNLEA, a program for the structural analysis of multilayer systems. (2) PSO-UNLEA, a program that uses particle swarm optimization metaheuristic (PSO) for the backcalculation of pavement moduli. (3) UNPAVE, an incremental pavement design program based on the equations of the North American MEPDG and includes the computation of vehicle operating costs based on IRI. (4) PSO-PAVE, a PSO program to search for thicknesses that optimize the design considering construction and vehicle operating costs. The case studies show that the backcalculation and structural design of pavements can be optimized by PSO considering restrictions in the thickness and the selection of materials. Future developments should reduce the computational cost and calibrate the pavement performance and VOC models. (Texto tomado de la fuente)

La construcción de pavimentos asfálticos en calles y carreteras es una actividad que requiere la optimización del consumo de cuantiosos recursos económicos y naturales. La optimización del diseño de pavimentos atiende objetivos contradictorios de acuerdo con la disponibilidad de recursos y las necesidades de los usuarios. Este trabajo explora el empleo de metaheurísticas para optimizar el diseño de pavimentos asfálticos empleando el diseño incremental basado en la predicción del deterioro y los costos de operación vehicular (COV). Los costos son proporcionales al consumo energético y de recursos y las emisiones contaminantes. Se revisó la evolución del diseño de pavimentos asfálticos y el desarrollo de técnicas metaheurísticas de optimización en este tema. Se desarrollaron cuatro programas de computador: (1) UNLEA, programa para el análisis estructural de sistemas multicapa. (2) PSO-UNLEA, programa que emplea la metaheurística de optimización con enjambre de partículas (PSO) para el cálculo inverso de módulos de pavimentos. (3) UNPAVE, programa de diseño incremental de pavimentos basado en las ecuaciones de la MEPDG norteamericana, y el cálculo de costos de construcción y operación vehicular basados en el IRI. (4) PSO-PAVE, programa que emplea la PSO en la búsqueda de espesores que permitan optimizar el diseño considerando los costos de construcción y de operación vehicular. Los estudios de caso muestran que el cálculo inverso y el diseño estructural de pavimentos pueden optimizarse mediante PSO considerando restricciones en los espesores y la selección de materiales. Los desarrollos futuros deben enfocarse en reducir el costo computacional y calibrar los modelos de deterioro y COV.