Modelización por Cadenas de Markov de la evolución de la deformación en vigas de hormigón armado flexotraccionadas

From the analysis of experimentally observed variations in surface strains with loading in reinforced concrete beams, it is noted that there is a need to consider the evolution of strains (with loading) as a stochastic process. Use of Markov Chains for modeling stochastic evolution of strains with loading in reinforced concrete flexural beams is studied in this paper. A simple, yet practically useful, bi-level homogeneous Gaussian Markov Chain (BLHGMC) model is proposed for determining the state of strain in reinforced concrete beams. The BLHGMC model will be useful for predicting behavior/response of reinforced concrete beams leading to more rational design.A través del análisis de la evolución de la deformación superficial observada experimentalmente en vigas de hormigón armado al entrar en carga, se constata que dicho proceso debe considerarse estocástico. En este trabajo se estudia la utilización de cadenas de Markov para modelizar la evolución estocástica de la deformación de vigas flexotraccionadas. Se propone, para establecer el estado de deformación de estas, un modelo con distribución gaussiana tipo cadena de Markov homogénea de dos niveles (BLHGMC por sus siglas en inglés), cuyo empleo resulta sencillo y práctico. Se comprueba la utilidad del modelo BLHGMC para prever el comportamiento de estos elementos, lo que determina a su vez una mayor racionalidad a la hora de su cálculo y diseñ

Stochastic Renewal Process Models for Structural Reliability Analysis

Reliability analysis in structural engineering is utilized in the initial design phase and its application continues throughout the service life of a structural system in form of maintenance planning and optimization. Engineering structures are usually designed with extremely high reliability and with a long service life. However, deterioration with time and exposure to external hazards like earthquakes, strong winds etc., increase the structure's vulnerability to failure. In structural reliability analysis, stochastic processes have been utilized to model timedependent uncertain variations in environmental loads and structural resistance. The Homogeneous Poisson Process (HPP) is most commonly used as the driving process behind environmental hazards and shocks causing structural deterioration. The HPP model is justi ed on account of an asymptotic argument that exceedances of a process to a high threshold over a long lifetime converge to HPP model. This approach serves the purpose at the initial design stages. The combination of stochastic loads is an important part of design load estimation. Currently, solutions of the load combination problem are also based on HPP shock and pulse processes. The deterioration is typically modelled as a random variable problem, instead of a stochastic process. Among stochastic models of deterioration, the gamma process is popularly used. The reliability evaluation by combining a stochastic load process with a stochastic process of deterioration, such as gamma process, is a very challenging problem, and so its discussion is quite limited in the existing literature. In case of reliability assessment of existing structures, such as nuclear power plants nearing the end of life, an indiscriminate use of HPP load models becomes questionable as asymptotic arguments may not be valid over a short remaining life. Thus, this thesis aims to generalize stochastic models used in the structural reliability analysis by considering more general models of environmental hazards based on the theory of the renewal process. These models include shock, pulse and alternating processes. The stochastic load combination problem is also solved in a more general setting by considering a renewal pulse process in combination with a Poisson shock process. The thesis presents a clear exposition of the stochastic load and strength combination problem. Several numerical algorithms have been developed to compute the stochastic reliability solution, and results have been compared with existing approximations. Naturally, existing approximations serve adequately in the routine design. However, in case of critical structures with high consequences to safety and reliability, the use of proposed methods would provide a more realistic assessment of structural reliability. In summary, the results presented in this thesis contribute to the advancement in stochastic modeling of structural reliability analysis problems

Modélisation et optimisation de la maintenance et de la surveillance des systèmes multi-composants - Applications à la maintenance et à la conception de véhicules industriels

This thesis research work focuses on the maintenance operations scheduling and the development of a design methodology for maintenance. The aim is to suggest a customized maintenance service offer for each vehicle and able to adapt to user constraints. In the transport industry, these constraints are defined by a limited number of maintenance opportunities and vehicle unplanned stops with significant financial consequences. This service offer should enable both to improve the vehicle uptime and to reduce the maintenance impact on operating costs. In this framework, the developed maintenance policy ensures, with a given risk probability, maintenance free operating periods for a multi-component system. During these periods, the system should be able to carry out all its assigned missions without maintenance actions and system fault. And the end of each period, the considered policy evaluates if a maintenance action is required to ensure maintenance-free and fault-free operation on the next period with a specified confidence level. When a maintenance action is mandatory, decision criteria considering the maintenance costs and the maintenance efficiency are used to select the operations to be performed. This form of dynamic clustering, called time-driven clustering, integrates both the component reliability models, the system structure and the available monitoring information. In our case, the monitoring information refers to the component state information and information on the component operating conditions. The process flexibility makes possible to make a maintenance decision in using different information levels for system components. The policy parameters, namely the period length and the confidence level value, are optimized based on the total maintenance cost. This cost, evaluated on a finite horizon, is composed of directs costs related to maintenance operations and indirect costs generated by system immobilizations. In order to reach a significant operating costs reduction, the maintenance policy optimization alone is not sufficient. It is essential to have a broader approach to involve the system and its maintenance since the conception. In this context, the developed design methodology suggests to prioritize the components impact on the operating costs. This prioritization is performed thanks to a defined importance factor. Then, multiple design options are evaluated by simulation in priority component. The selected options lead to reduce the operating costs. This work contains simulation results that illustrate the methods mentioned above. Moreover, a heavy vehicle sub-system is used as a test-case.Ces travaux de thèse traitent des problèmes de maintenance associés aux véhicules industriels. Ils se concentrent sur la planification des opérations de maintenance et sur le développement d'une méthodologie de conception pour la maintenance. Le but est de proposer une offre de maintenance personnalisée en fonction de chaque véhicule et capable de s'adapter aux contraintes des utilisateurs. Dans l'industrie du transport, ces contraintes se caractérisent par un nombre d'opportunités de maintenance limité et des immobilisations à fortes conséquences financières. Cette offre a vocation à garantir un niveau de disponibilité élevé tout en réduisant l'impact de la maintenance sur les coûts globaux d'exploitation. Dans ce cadre, la politique de maintenance développée vise à assurer, moyennant un certain risque, l'autonomie d'un système multi-composant sur des périodes d'opérations données. Pendant ces périodes, aucune opération de maintenance et aucune défaillance du système ne doivent venir perturber la réalisation des missions. A la fin de chaque période, la politique considérée évalue la nécessité d'une intervention de maintenance pour assurer la prochaine période avec un niveau de confiance spécifié. Lorsque la maintenance est jugée indispensable, des critères intégrant les coûts et l'efficacité de la maintenance sont introduits pour sélectionner les opérations à réaliser. Cette forme originale de regroupement dynamique s'appuie à la fois sur les modèles de fiabilité des composants, sur la structure fiabiliste du système et sur les informations de surveillance disponibles en ligne. Celles-ci se composent d'informations liées à l'état de santé des composants mais également à leurs conditions d'utilisation. La flexibilité du processus permet d'intégrer, dans la décision, des niveaux d'informations différents suivant les composants. Les paramètres de cette politique, à savoir la longueur de la période et le niveau de confiance, sont optimisés en fonction du coût total de maintenance. Ce coût, évalué sur un horizon fini, intègre les coûts directs associés aux opérations de maintenance et les coûts indirects engendrés par les immobilisations. Pour envisager une réduction significative des coûts d'exploitation du système, l'optimisation de la politique de maintenance seule ne suffit pas. Il est primordial de mener une réflexion plus large associant le système et sa maintenance dès la conception. Pour diriger cette réflexion, la méthodologie de conception proposée hiérarchise, à l'aide d'un facteur d'importance original, l'impact des composants sur les coûts d'exploitation. Différentes options de conceptions sont ensuite évaluées, par simulation, sur les composants jugés prioritaires. Les options retenues conduisent à réduire les coûts globaux d'exploitation. Des résultats de simulation permettent d'illustrer les méthodes développées. Une application sur un sous-système du véhicule industriel est également réalisée

Aplicación de las técnicas AHP, ANP-BC y ANP-BOCR de análisis multicriterio de decisiones a la selección de carteras de proyectos de mantenimiento, rehabilitación y mejora en infraestructuras ferroviarias

[EN] Abstract The construction of railway infrastructure networks requires heavy investment, long planning and execution times and extended life cycles. An important family of projects in Railway Engineering are the Maintenance, Renewal and Improvement (MR&I) projects. They are critical to maintaining railway infrastructures in good condition and to adapt them to environmental changes and new operating conditions and needs. MR&I action plans have a great impact in the short term because they affect the performance of operating facilities A critical issue for public infrastructure managers and planners is the effective allocation of the scarce resources available for maintenance and repair of railway infrastructures. Obsolescence and lack of adequate maintenance and repair of the railway network affect productivity and lead to increased costs over time. Every year the Manager of a rail network area is faced with different MR&I needs. This involves different projects to be executed with different levels of urgency, different levels of investment and different improvement measures and action plans on the railway network. Therefore, the Manager has a portfolio of MR&I projects and a limited budget. The main problem that the manager faces is setting priorities among the projects to decide which ones will be executed first. It is a complex problem due to the number of different projects and criteria to be considered. Classical approaches are based upon the Cost Benefit analysis (CBA) but there are great uncertainties and variations between the economic values used in different models and the results are heavily dependent on the specific methodology adopted. Methods based upon Multiple Criteria Decision Analysis (MCDA) allow mixing quantitative and qualitative criteria, aggregate multiple experts evaluations and, in general, obtain more robust project rankings than CBA. There is little evidence in the scientific literature of the use of MCDA to similar cases. Research conducted in this thesis studies the decision-making process to choose MR&I projects in a railway network. Technicians and managers are given a methodological tool to help them establish a priority between all the projects in the MR&I portfolio. The problem is addressed as a Multi criteria decision making (MCDM) problem in which thee different ANP models have been used, comparing the results obtained with all of them: Analytic Hierarchical Process (AHP), Analytic Network Process with subnetworks for Benefits and Costs (ANP-BC) and the Analytic Network Process with subnetworks for Costs, Benefits, Opportunities and Risks (ANP-BOCR) The main contributions of this works are: - Deep analysis of the decision criteria. - Design of a procedure for evaluating many different alternative projects. - A decision making process which is both systematic and strict has been obtained. It can be generalized to other areas of the railway infrastructure management company. Thanks to the results the budget can be used in the best-valued projects according to the criteria established by the decision maker. The priorization is then obtained in a transparent and documented way.[ES] Resumen La construcción de infraestructuras ferroviarias requiere de grandes inversiones, largos plazos de planificación y ejecución y los ciclos de vida totales son muy largos también. Dentro de los proyectos que se realizan en este tipo de infraestructuras, una parte muy importante son las actuaciones sobre líneas en servicio, que se denominan actuaciones de mantenimiento, rehabilitación y mejora (MR&I por sus siglas en ingles de Maintenance, Renewal and Improvement). Las actuaciones de MR&I tienen un gran efecto a corto plazo al afectar al rendimiento de instalaciones que ya están en servicio en el momento de la actuación . La asignación eficaz de los escasos recursos disponibles para MR&I por parte de los gestores de infraestructuras es clave para mantener y mejorar el desempeño general de la red. Cada año el gestor de una zona de la red se enfrenta a diferentes necesidades de mantenimiento, rehabilitación y mejora de la red, por tanto, tiene conjunto muy grande de proyectos de MR&I y un presupuesto limitado para ejecutarlos. El problema que se plantea es seleccionar qué proyectos tienen prioridad a la hora de su ejecución y qué criterios ha de considerar para establecer esa prioridad. Es un problema complejo debido al amplio número de proyectos posibles y de criterios a considerar. Los métodos clásicos más utilizados se basan en el enfoque de análisis coste-beneficio, pero existen grandes variaciones e incertidumbres a la hora de obtener los valores económicos y los resultados del análisis dependen mucho de la metodología específica adoptada. Los métodos basados en el Análisis Multicriterio de Decisiones (Multiple Criteria Decision Analysis MCDA) permitan integrar valoraciones cuantitativas y cualitativas, agregar las preferencias de varios expertos y, en general, obtener ordenaciones de proyectos más robustas que el CBA. No existe apenas evidencia de la aplicación de MCDA al problema planteado en la literatura científica. La investigación presentada en esta tesis estudia el proceso de toma de decisiones para la selección de proyectos de MR&I en una red ferroviaria. Se dota a los técnicos responsables y a los gestores del mantenimiento de los administradores ferroviarios de una herramienta metodológica que les ayude a establecer una prioridad entre la cartera de proyectos de MR&I. El problema se afronta como una toma de decisión multicriterio (MCDM) en la que se han utilizado tres modelos del método ANP, comparando los resultados entre sí: el modelo jerárquico basado en el Proceso Analítico Jerárquico (AHP) , el proceso analítico en red con una subred de costes y otra de beneficios (ANP-BC) y el proceso analítico en red con cuatro subredes: beneficios, oportunidades, costes y riesgos (ANP-BOCR). Las principales contribuciones de este trabajo son: - El profundo análisis realizado sobre los criterios de decisión. - Se ha diseñado un procedimiento para evaluar un conjunto muy numeroso de actuaciones alternativas. - Se ha obtenido un proceso de toma de decisiones riguroso y sistemático que se puede generalizar para otras zonas de gestión de la Compañía Gestora de las Infraestructuras ferroviarias El resultado permite utilizar el presupuesto en los proyectos mejor valorados de acuerdo a los criterios establecidos por el decisor. Obteniéndose la priorización de forma transparente y documentada.[CA] Resum La construcció d'infraestructures ferroviàries requereix de grans inversions, llargs terminis de planificació i execució i els cicles de vida totals són molt llargs també. Dins dels projectes que es realitzen en aquest tipus d'infraestructures, una part molt important són les actuacions sobre línies en servei, que es denominen actuacions de manteniment, rehabilitació i millora (MR&I per les seues sigles en angles de Maintenance, Renewal and Improvement). Les actuacions de MR&I tenen un gran efecte a curt termini en afectar al rendiment d'instal·lacions que ja estan en servei en el moment de l'actuació . L'assignació eficaç dels escassos recursos disponibles per a MR&I per part dels gestors d'infraestructures és clau per a mantenir i millorar l'acompliment general de la xarxa. Cada any el gestor d'una zona de la xarxa s'enfronta a diferents necessitats de manteniment, rehabilitació i millora de la xarxa, per tant, té un conjunt molt gran de projectes de MR&I i un pressupost limitat per a executar-los. El problema que es planteja és seleccionar quins projectes tenen prioritat a l'hora de la seua execució i quins criteris ha de considerar per a establir aqueixa prioritat. És un problema complex a causa de l'ampli nombre de projectes possibles i de criteris a considerar. Els mètodes clàssics més utilitzats es basen en l'enfocament d'anàlisi cost-beneficie, però existeixen grans variacions i incerteses a l'hora d'obtenir els valors econòmics i els resultats de l'anàlisi depenen molt de la metodologia específica adoptada. Els mètodes basats en l'Anàlisi Multicriteri de Decisions (Multiple Criteria Decision Analysis MCDA) permeten integrar valoracions quantitatives i qualitatives, agregar les preferències de diversos experts i, en general, obtenir ordenacions de projectes més robustes que el CBA. No existeix apenes evidencia de l'aplicació de *MCDA al problema plantejat en la literatura científica. La recerca presentada en aquesta tesi estudia el procés de presa de decisions per a la selecció de projectes de MR&I en una xarxa ferroviària. Es dota als tècnics responsables i als gestors del manteniment dels administradors ferroviaris d'una eina metodològica que els ajude a establir una prioritat entre la cartera de projectes de MR&I. El problema s'afronta com una presa de decisió multicriteri (MCDM) en la qual s'han utilitzat tres models del mètode ANP, comparant els resultats entre si: el model jeràrquic basat en el Procés Analític Jeràrquic (AHP) , el procés analític en xarxa amb una subxarxa de costos i una altra de beneficis (ANP-BC), i el procés analític en xarxa amb quatre subxarxes: beneficis, oportunitats, costos i riscos (ANP-BOCR). Les principals contribucions d'aquest treball són: - La profunda anàlisi realitzada sobre els criteris de decisió. - S'ha dissenyat un procediment per a avaluar un conjunt molt nombrós d'actuacions alternatives. - S'ha obtingut un procés de presa de decisions rigorós i sistemàtic que es pot generalitzar per a altres zones de gestió de la Companyia Gestora de les Infraestructures ferroviàries El resultat permet utilitzar el pressupost en els projectes millor valorats d'acord als criteris establits pel decisor. Obtenint-se la priorització de forma transparent i documentada.Montesinos Valera, J. (2015). Aplicación de las técnicas AHP, ANP-BC y ANP-BOCR de análisis multicriterio de decisiones a la selección de carteras de proyectos de mantenimiento, rehabilitación y mejora en infraestructuras ferroviarias [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/56821TESI

Assessment of a maintenance model for a multi-deteriorating mode system

International audienceThis paper deals with maintenance policies for stochastically deteriorating systems which are subject to sudden changes in their degradation processes. The main aim is to assess the interest of using change mode monitoring information from a maintenance decision making point of view. Two condition-based maintenance policies are considered and compared, each of them adapted to a specific level of available information, with or without change mode monitoring.Numerical examples show that the time distribution of the change of deterioration rate and the difference between the two possible deterioration rates strongly influence the choice of the best decision rule structure