Genetic algorithm for cost optimization of different multi-tunnel greenhouse design alternatives

Abstract

Los invernaderos se emplean en todo el mundo para proteger los cultivos de las condiciones meteorológicas, así como para controlar algunas variables de la producción vegetal. Dado que las estructuras multitúnel se encuentran entre las más utilizadas, en este artículo nos centramos en la optimización en base a costes tanto de la estructura metálica como de la cimentación de hormigón de esta tipología de invernadero. En primer lugar, se dimensionaron tres alternativas estructurales compuestas por tres túneles y pórticos diferenciados conforme al diseño europeo de estructuras de acero, es decir, el Eurocódigo 3. Por su parte, la cimentación se calculó mediante un método matricial previamente validado. A continuación, se emplearon algoritmos genéticos para optimizar por coste cada diseño propuesto y evaluar el peso relativo de cada elemento en el consumo global de acero. Además, también se evaluó la influencia del diseño del invernadero en el coste final, y se comprobó que la solución más rentable correspondía a la alternativa de invernadero optimizado que presentaba una separación de 3,5 m entre pórticos y la combinación de un perfil de acero y un canalón de plástico (es decir, M3OPT a 15,14 €/m2). Por último, a partir del estudio sobre la influencia de la separación entre pórticos, se encontró una reducción adicional del coste por metro cuadrado para un diseño con el denominado canalón estructural (es decir, perfil de acero y sistema plástico de recogida de agua) como soporte de los arcos y una separación de 4,5 m a 14,21 €/m2.

Greenhouses are employed worldwide to protect crops from meteorological conditions as well as to control some plant production variables. As multi-tunnel structures are amongst the most used, in this article, we focus on cost optimization of both the steel structure and the concrete foundation of this greenhouse typology. Firstly, three structural alternatives composed of three tunnels and differentiated portal frames were dimensioned conforming to the European design of steel structures, namely, Eurocode 3; meanwhile, the foundation was calculated through a previously validated matrix method. Then, genetic algorithms were employed to optimize for cost each proposed design and to evaluate the relative weight of each element in the overall steel consumption. Moreover, the influence of the greenhouse design on the final cost was also assessed, and it was found that the most cost-effective solution corresponded to the optimized greenhouse alternative exhibiting a 3.5 m separation between portal frames and the combination of a steel profile and plastic gutter (i.e., M3OPT at 15.14 €/m2). Finally, from the study on the influence of the portal frame separation, a further cost per square meter reduction was found for a design with the so-called structural gutter (i.e., steel profile and plastic water collection system) as support for the arches and a 4.5 m separation at 14.21 €/m2.