Fisuración y deformaciones en tabiquerías

A diferencia de otros parámetros, el efecto de la existencia de huecos en la aparición y desarrollo de los procesos de fisuración en los paños de fábrica no ha sido considerado por las distintas normativas existentes en la actualidad. En nuestros días se emplea una variada gama de tipologías de elementos de cerramiento para realizar las particiones en las obras de edificación, cada una de ellas con características mecánicas diferentes y distinta metodología de ejecución, siendo de aplicación la misma normativa relativa al cálculo y control de las deformaciones. Tal y como expresamos en el Capitulo 1, en el que se analiza el Estado del Conocimiento, los códigos actuales determinan de forma analítica la flecha probable que se alcanza en los elementos portantes estructurales bajo diferentes condiciones de servicio. Las distintas propuestas que existen respecto para la limitación de la flecha activa, una vez realizado el cálculo de las deformaciones, bien por el método de Branson ó mediante los métodos de integración de curvaturas, no contemplan como parámetro a considerar en la limitación de la flecha activa la existencia y tipología de huecos en un paño de fábrica soportado por la estructura. Sin embargo se intuye y podríamos afirmar que una discontinuidad en cualquier elemento sometido a esfuerzos tiene influencia en el estado tensional del mismo. Si consideramos que, de forma general, los procesos de fisuración se producen al superarse la resistencia a tracción de material constitutivo de la fábrica soportada, es claro que la variación tensional inducida por la existencia de huecos ha de tener cierta influencia en la aparición y desarrollo de los procesos de fisuración en los elementos de partición o de cerramiento de las obras de edificación. En los Capítulos 2 y 3 tras justificar la necesidad de realizar una investigación encaminada a confirmar la relación entre la existencia de huecos en un paño de fábrica y el desarrollo de procesos de fisuración en el mismo, se establece este aspecto como principal Objetivo y se expone la Metodología para su análisis. Hemos definido y justificado en el Capítulo 4 el modelo de cálculo que hemos utilizado para determinar las deformaciones y los procesos de fisuración que se producen en los casos a analizar, en los que se han considerado como variables: los valores de la luz del modelo, el estado de fisuración de los elementos portantes, los efectos de la fluencia y el porcentaje de transmisión de cargas desde el forjado superior al paño de fábrica en estudio. Además se adoptan dos valores de la resistencia a tracción de las fábricas, 0.75MPa y 1.00MPa. La capacidad de representar la fisuración, así como la robustez y fiabilidad ha condicionado y justificado la selección del programa de elementos finitos que se ha utilizado para realizar los cálculos. Aprovechando la posibilidad de reproducir de forma ajustada las características introducidas para cada parámetro, hemos planteado y realizado un análisis paramétricos que considera 360 cálculos iterativos, de cuya exposición es objeto el Capítulo 5, para obtener una serie representativa de resultados sobre los que se realizará el análisis posterior. En el Capítulo 6, de análisis de los resultados, hemos estudiado los valores de deformaciones y estados de fisuración obtenidos para los casos analizados. Hemos determinado la influencia que tiene la presencia de huecos en la aparición de los procesos de fisuración y en las deformaciones que se producen en las diferentes configuraciones estructurales. Las conclusiones que hemos obtenido tras analizar los resultados, incluidas en el Capítulo 7, no dejan lugar a dudas: la presencia, la posición y la tipología de los huecos en los elementos de fábricas soportadas sobre estructuras deformables son factores determinantes respecto de la fisuración y pueden tener influencia en las deformaciones que constituyen la flecha activa del elemento, lo que obliga a plantear una serie de recomendaciones frente al proyecto y frente a la reglamentación técnica. La investigación desarrollada para esta Tesis Doctoral y la metodología aplicada para su desarrollo abre nuevas líneas de estudio, que se esbozan en el Capítulo 8, para el análisis de otros aspectos que no han sido cubiertos por esta investigación a fin de mejorar las limitaciones que deberían establecerse para los Estados Límite de Servicio de Deformaciones correspondientes a las estructuras de edificación. SUMMARY. Unlike other parameters, the effect of the existence of voids in the arising and development of cracking processes in the masonry walls has not been considered by current Codes. Nowadays, a huge variety of enclosure elements types is used to execute partitions in buildings, each one with different mechanical characteristics and different execution methodology, being applied the same rules concerning deflection calculation and control. As indicated in Chapter 1, which analyzes the State of Art, current codes analytically determine the deflection likely to be achieved in structural supporting elements under different service conditions. The different proposals that exist related to live deflection limitation, once performed deformations calculation, either by Branson´s method or considering curvatures integration methods, do not consider in deflection limitation the existence and typology of voids in a masonry wall structured supported. But is sensed and it can be affirmed that a discontinuity in any element under stress influences the stress state of it. If we consider that, in general, cracking processes occur when masonry material tensile strength is exceeded, it is clear that tension variation induced by the existence of voids must have some influence on the emergence and development of cracking processes in enclosure elements of building works. In Chapters 2 and 3, after justifying the need for an investigation to confirm the relationship between the existence of voids in a masonry wall and the development of cracking process in it, is set as the main objective and it is shown the analysis Methodology. We have defined and justified in Chapter 4 the calculation model used to determine the deformation and cracking processes that occur in the cases analyzed, in which were considered as variables: model span values, bearing elements cracking state, creep effects and load transmission percentage from the upper floor to the studied masonry wall. In addition, two masonry tensile strength values 0.75MPa and 1.00MPa have been considered. The cracking consideration ability, robustness and reliability has determined and justified the selection of the finite element program that was used for the calculations. Taking advantage of the ability of accurately consider the characteristics introduced for each parameter, we have performed a parametric analyses that considers 360 iterative calculations, whose results are included in Chapter 5, in order to obtain a representative results set that will be analyzed later. In Chapter 6, results analysis, we studied the obtained values of deformation and cracking configurations for the cases analyzed. We determined the influence of the voids presence in the occurrence of cracking processes and deformations in different structural configurations. The conclusions we have obtained after analyzing the results, included in Chapter 7, leave no doubt: the presence, position and type of holes in masonry elements supported on deformable structures are determinative of cracking and can influence deformations which are the element live deflection, making necessary to raise a number of recommendations related to project and technical regulation. The research undertaken for this Doctoral Thesis and the applied methodology for its development opens up new lines of study, outlined in Chapter 8, for the analysis of other aspects that are not covered by this research, in order to improve the limitations that should be established for Deflections Serviceability Limit States related to building structures.

Modelización por métodos numéricos de la degradación térmica de un elemento estructural de madera en situación de incendio

La cuantificación de la reducción de las propiedades resistentes y de la sección de un elemento estructural en situación de incendio es fundamental de cara a garantizar la estabilidad estructural en situación de incendio. Existen investigaciones que tratan de determinar la variación de las propiedades térmicas y mecánicas de la madera sometida a cargas térmicas, y la reducción de sección transversal de un elemento estructural de madera. La normativa europea en materia de construcción con madera, el Eurocódigo 5, propone unas simplificaciones para determinar la sección residual de un elemento estructural de madera en situación de incendio. Los objetivos de este trabajo comprenden una revisión de algunos trabajos realizados en el campo de la variación en función de la temperatura de las propiedades térmicas de la madera (calor específico, densidad y conductividad térmica), y la construcción con los distintos valores propuestos de varios modelos de elementos finitos que se someterán a cargas térmicas definidas por la curva ISO 834-1. Los resultados se compararán con un modelo construido con los valores que el Eurocódigo propone y con un ensayo experimental. Como resultado final, se propone finalmente un modelo de elementos finitos que emule el comportamiento del ensayo experimental. The quantification of the decrease of strength properties and section of a structural element in a fire situation is critical in order to guarantee the structural stability in such a fire event. There are some researches in literature trying to find the variation of thermal and mechanical properties of wood subjected to thermal loads, and the decrease of cross section of a wooden structural element. The European legislation on timber construction, Eurocode 5, proposes a simplification to determine the residual section of a wooden structural element in a fire situation. This paper objectives consist in a review of some researches in the field of variations, depending on the temperature, of the thermal properties of wood (specific heat, density and thermal conductivity); and in the construction of a few finite element models of timber structural elements affected by thermal loads according to ISO 834-1. The results were compared with a model based in Eurocode 5 and with an experimental test. As final result, at last, we propose a finite element model that simulates the behavior of the experimental tested element.

Respuesta sísmica de un edificio de estructuras metálica con aisladores : alternativas de diseño

El presente trabajo es un estudio teórico – experimental para la implementación de un edificio metálico de cuatro plantas con dispositivos disipadores de energía. Este estudio presenta una técnica para la generación de un registro sísmico artificial, que sea compatible con los espectros de diseño de las normas chilena y española. Este acelerograma se crea con una herramienta computacional denominada SIMQKE. La simulación de la estructura sometida al terremoto artificial se realizará en el programa de elementos finitos SAP200. El trabajo se encuentra dividido en cuatro capítulos, cuyos contenidos son los siguientes. En el capitulo uno, o estado del arte, se revisan las diferentes técnicas de aislamiento sísmico, se describe el dispositivo a utilizar, sus bases teóricas y formulación matemática, se revisan las normas NCh.2745 Of.2003 [12], NCSE-02 [18] y se presenta la técnica para la generación de un registro sintético compatible. El capítulo dos aborda el análisis experimental para un edificio real: una edificación de estructura metálica implementada con disipadores de energía metálicos y que será sometida a tres terremotos de diferente magnitud. El capítulo tres expone los resultados de los desplazamientos medidos para la estructura sin disipadores y con ellos, se presentan los porcentajes de disminución de desplazamientos relativos por planta y por tipo de estructura. Por último, el capítulo cuatro presenta las principales conclusiones y una breve discusión de los resultados. The present work is a theoretical and experimental study for the implementation of a fourstorey building with energy dissipating devices. This study presents a technique for generation an artificial seismic record, which is compatible with the design spectra Chilean and Spanish standards. This accelerogram is created with a computational tool called SIMQKE. The simulation of the structure subjected to artificial earthquake will take place in the finite element program SAP2000. This work is divided into four chapters whose contents are as follows. In chapter one, or state of the art, reviews the different seismic isolation techniques, describes the device used, theoretical and mathematical formulation, NCh2745 Of.2003 [12] and NCSE-02 [18] standards are checked, and presents the technique for generating a synthetic record compatible. Chapter two explains the experimental analysis to a real building: a building of steel structure implemented with metallic energy dissipators and will be submitted to three different earthquakes of magnitude. Chapter three presents the results of measured displacements for the structure without dissipators and with them, the percentages of decline relative displacements per plant and type of structure. Finally, chapter four presents the main conclusions and a brief discussion of the results.

Ensayos acelerados de fiabilidad de células solares de concentración

SUMMARY Concentration Photovoltaic Systems (CPV) have been proposed as an alternative to conventional systems. During the last years, there has been a boom of the CPV industry caused by the technological progress in all the elements of the system. and mainly caused by the use of multijunction solar cells based on III-V semiconductors, with efficiencies exceeding to 43%. III-V solar cells have been used with high reliability results in a great number of space missions without concentration. However, there are no previous results regarding their reliability in concentration terrestrial applications, where the working conditions are completely different. This lack of experience, together with the important industrial interest, has generated the need to evaluate the reliability of the cells. For this reason, nowadays there are several research centers around the undertaking this task. The evaluation of the reliability of this type of devices by means of accelerated tests is especially problematic when they work at medium or high concentration, because it is practically impossible to emulate real working conditions of the cell inside climatic chambers. In fact, as far as we know, the results that appear in this Thesis are the first estimating the Activation Energy of the failure mechanism involved, as well as the warranty of the III-V concentrator solar cells tested here. To evaluate the reliability of III-V very high concentrator solar cells by means of accelerated tests, a variety of activities, described in this Thesis have been carried out. The First Part of the memory presents the theoretical part of the Doctoral Thesis. After the Introduction, chapter 2 presents the state of the art in degradation and reliability of CPV systems and solar cells. Chapter 3 introduces some reliability definitions and the application of specific statistical functions to the evaluation of the reliability and parameters. From these functions, important parameters will be calculated to be used later in the experimental results of Thesis. The Second Part of the memory contains the experimental. Chapter 4 shows the types of accelerated tests and the main goals pursuit with them when carried out over CPV systems and solar cells. In order to evaluate quantitatively the reliability of the III-V concentrator solar cells used in these tests, some modifications have been introduced which discussion will be tackled here. Based on this analysis the working plan of the tests carried out in this Doctoral Thesis is presented. Chapter 5 presents a new methodology as well as the necessary instrumentation to carry out the tests described here. This new methodology takes into account the adaptation, improvement and novel techniques needed to test concentrator solar cells. The core of this memory is chapter 6, which presents the results of the characterization of the cells during the accelerated life tests and the analysis of the aforementioned results with the purpose of getting quantitative values of reliability in real working conditions. The acceleration factor of the accelerated life tests, under nominal working conditions has been calculated. Accordingly, the validity of the methodology as well as the calculations based on the reliability assessment, have also been demonstrated. Finally, quantitative values of degradation, reliability and warranty of the solar cells under field nominal working conditions have been calculated. With the development of this Doctoral Thesis the reliability of very high concentrator GaAs solar cells of small area has been evaluated. It is very interesting to generalize the procedures described up to this point to III-V multijunction solar cells of greater area. Therefore, chapter 7 develops this generalization and introduces also a useful thermal modeling by means of finite elements of the test cells’ circuits. In the last chapter, the summary of the results and the main contributions of this Thesis are outlined and future research activities are identified. RESUMEN Los Sistemas Fotovoltaicos de Concentración (SFC) han sido propuestos como una alternativa a los sistemas convencionales de generación de energía. Durante los últimos años ha habido un auge de los SFC debido a las mejoras tecnológicas en todos los elementos del sistema, y principalmente por el uso de células multiunión III-V que superan el 43% de rendimiento. Las células solares III-V han sido utilizadas con elevada fiabilidad en aplicaciones espaciales sin concentración, pero no existe experiencia de su fiabilidad en ambiente terrestre a altos niveles de concentración solar. Esta falta de experiencia junto al gran interés industrial ha generado la necesidad de evaluar la fiabilidad de las células, y actualmente hay un significativo número de centros de investigación trabajando en esta área. La evaluación de la fiabilidad de este tipo de dispositivos mediante ensayos acelerados es especialmente problemática cuando trabajan a media o alta concentración por la casi imposibilidad de emular las condiciones de trabajo reales de la célula dentro de cámaras climáticas. De hecho, que sepamos, en los resultados de esta Tesis se evalúa por primera vez la Energía de Activación del mecanismo de fallo de las células, así como la garantía en campo de las células de concentración III-V analizadas. Para evaluar la fiabilidad de células solares III-V de muy alta concentración mediante ensayos de vida acelerada se han realizado diversas actividades que han sido descritas en la memoria de la Tesis. En la Primera Parte de la memoria se presenta la parte teórica de la Tesis Doctoral. Tras la Introducción, en el capítulo 2 se muestra el estado del arte en degradación y fiabilidad de células y Sistemas Fotovoltaicos de Concentración. En el capítulo 3 se exponen de forma resumida las definiciones de fiabilidad y funciones estadísticas que se utilizan para la evaluación de la fiabilidad y sus parámetros, las cuales se emplearán posteriormente en los ensayos descritos en este Tesis. La Segunda Parte de la memoria es experimental. En el capítulo 4 se describen los tipos y objetivos de los ensayos acelerados actualmente aplicados a SFC y a las células, así como las modificaciones necesarias que permitan evaluar cuantitativamente la fiabilidad de las células solares de concentración III-V. En base a este análisis se presenta la planificación de los trabajos realizados en esta Tesis Doctoral. A partir de esta planificación y debido a la necesidad de adaptar, mejorar e innovar las técnicas de ensayos de vida acelerada para una adecuada aplicación a este tipo de dispositivos, en el capítulo 5 se muestra la metodología empleada y la instrumentación necesaria para realizar los ensayos de esta Tesis Doctoral. El núcleo de la memoria es el capítulo 6, en él se presentan los resultados de caracterización de las células durante los ensayos de vida acelerada y el análisis de dichos resultados con el objetivo de obtener valores cuantitativos de fiabilidad en condiciones reales de trabajo. Se calcula el Factor de Aceleración de los ensayos acelerados con respecto a las condiciones nominales de funcionamiento a partir de la Energía de Activación obtenida, y se demuestra la validez de la metodología y cálculos empleados, que son la base de la evaluación de la fiabilidad. Finalmente se calculan valores cuantitativos de degradación, fiabilidad y garantía de las células en condiciones nominales en campo durante toda la vida de la célula. Con el desarrollo de esta Tesis Doctoral se ha evaluado la fiabilidad de células III-V de área pequeña, pero es muy interesante generalizar los procedimientos aquí desarrollados para las células III-V comerciales de área grande. Por este motivo, en el capítulo 7 se analiza dicha generalización, incluyendo el modelado térmico mediante elementos finitos de los circuitos de ensayo de las células. En el último capítulo se realiza un resume del trabajo y las aportaciones realizadas, y se identifican las líneas de trabajo a emprender en el futuro.

Amplificador de señal analógico basado en conceptos biomiméticos. Desarrollo de modelos computacionales y validación experimental

La presente tesis doctoral estudia las características de un transductor acústico bioinspirado en la estructura del maxilar inferior de un Zifio de Couvier (Ziphius cavirostris). El mecanismo de funcionamiento del sensor se basa en las características de un sistema acoplado formado por los distintos componentes acústicos identificados en el maxilar. Para analizar las características del sensor se propone un modelo simplificado 2D que consta de una cavidad cerrada con forma de bocina acoplada a una lengüeta. Una parte de la lengüeta se encuentra dentro de la cavidad y otra en el exterior. Dicha lengüeta detecta los cambios de presión acústica y las vibraciones generadas por el sonido y las transmite con ondas de flexión al interior de la cavidad. La excitación prolongada sobre la placa puede provocar la activación de los modos propios del sistema acoplado. Dichos modos se caracterizan porque presentan un máximo de presión en el cono de la bocina la cual a su vez actúa como un amplificador acústico. Mediante el Método de los elementos Finitos se analizan las características acústicas del sensor y se construye un prototipo experimental para validar los resultados evaluados en el modelo numérico. Se propone una metodología numérica que permite desarrollar y validar un elemento tetraédrico para caracterizar el comportamiento isotrópico de los medios porosos. La metodología permite construir elementos de línea y bidimensionales. A partir de esta metodología se desarrolla un elemento plano ortotrópico. Se realiza un modelo de la cavidad en el que una de las paredes de la bocina está constituida por material poroso y se une la parte exterior de la lengüeta a dicho material para que constituya una viga sobre un apoyo elástico. Se calcula la respuesta modal y se discuten los efectos del material poroso en la eficiencia del transductor y las posibles mejoras a introducir en el mismo. SUMMARY This Thesis studies the characteristics of an acoustic transducer bioinspired by the structure of the lower maxilla of an odontoceto. In this case a Cuvier’s beaked whale (Ziphius cavirostris). The transducer working mechanism is based in a coupled system, with components identified in the maxilla. To analyze the transducer a simplified 2D model composed by a horn shaped closed cavity is modeled. The cavity is coupled with a flat belt. The belt has one part inside the cavity and the other part outside of it. The belt traverses the cavity wall and it is in charge to pick the vibrations from outside and introduce it inside the cavity. The transmission is obtained through the belt bending. A sustained external load with the right frequency contents will allow the system to reach a stationary pressure intensity distribution inside the cavity. Frequencies with modal shapes that show an important intensity increase at the horn tip are of special interest because of the signal amplification. A finite element model is constructed to study the transducer coupled modes and a prototype is constructed to validate the numerical results. A numerical methodology to construct and validate a tetrahedral finite element for isotropic porous materials is presented. The methodology allows constructing linear and 2D elements. It is extended to model orthotropic porous materials behavior. At the end, one of the horn walls is made of an orthotropic material and the external belt is glued to it in order to configure a belt over an elastic foundation. Modal response is evaluated and the porous material effects in the transducer efficiency and further improvements are discussed.

Determinación de las tensiones en cabezas de anclaje

El problema de la concentración de tensiones en las proximidades de las cabezas de anclaje ha sido tratado utilizando diversos procedimientos basados en la teoría de la elasticidad, tanto en el caso de anclajes en bloques extremos de vigas pretensadas, como en anclajes pasivos incluidos dentro del material, ya sea este hormigón o suelo en el caso de tablestacas. Los procedimientos más utilizados envuelven un elevado grado de aproximación ante la necesidad de reducir un problema de esta complejidad a los niveles normales en la ingeniería. El presente trabajo analiza el problema bajo dos ópticas diferentes: Primero, un estudio analítico de las tensiones en las proximidades de un anclaje sumergido dentro de un medio cuyos contornos libres se encuentran alejados de él; en segundo lugar se estudia el problema utilizando un método numérico, el Método de los Elementos de Contorno, que hace posible la obtención de la solución no sólo en tensiones sino en desplazamientos y permite tener en cuenta el espesor real de la placa de anclaje, la existencia de bordes libres próximos a un anclaje incluida en el material o el caso de anclajes en los bloques extremos de vigas. El método de los elementos de contorno está siendo objeto de atención en los últimos años por parte de investigadores de muchos países y sus características lo hacen muy indicado frente al método de los Elementos Finitos para problemas como este donde existen zonas de concentración de tensiones o grandes zonas que modelar.

Modelado de láminas ortotrópicas axisimétricas para excitaciones con alto contenido en frecuencia

El propósito de este artículo es el análisis lineal de estructuras laminares sometidas a excitaciones dinámicas con alto contenido en frecuencia. El método numérico propuesto utiliza para el modelado elementos continuos monodimensionales. La respuesta exacta de este tipo de elementos es conocida, y por lo tanto el método es más conveniente para este tipo de problemas que otros métodos convencionales basados en discretización espacial, por ejemplo el método de los elementos finitos (MEF), que precisarían de una malla muy fina para recoger adecuadamente los fenómenos de interés. El estudio aquí descrito se limita a estructuras axisimétricas con formas cilíndricas o cónicas. Se presentan criterios para modelar dichas estructuras mediante vigas sobre apoyo elástico.

Un marco matemático para la consolidación elastoplástica con deformaciones finitas

Se presenta una formulación matemática para los fenómenos acoplados de deformación del suelo y difusión, la llamada consolidación, que incluye los efectos de respuesta elastoplástica del suelo y deformaciones finitas. Se obtienen las ecuaciones variacionales del problema de contorno tanto en sus casos no lineal como linealizado de forma que puedan incorporarse directamente a programas de elementos finitos. El tratamiento algorítmico de la elastoplasticidad con deformaciones finitas para la fase sólida está basado en una descomposición multiplicativa y se acopla con el algoritmo de flujo del fluido a través de la presión neutra de Kirchhoff. Las ecuaciones de la cantidad de movimiento y conservación de la masa se escriben tanto para la fase sólida como para la fluida siguiendo el movimiento de la matriz sólida, combinándolas a continuación mediante la teoría general de mezclas. Puesto que la masa del fluido no tiene que conservarse en la región definida por la matriz sólida, se permite también que la densidad saturada de la mezcla suelo-agua varíe con la deformación del suelo a través del Jacobiano.

El método de las ecuaciones integrales singulares (B.I.E.M.)

El Método de Ecuaciones Integrales Singulares es una alternativa a los métodos dominantes, como el conocido Método de los Elementos Finitos. La idea esencial es la combinación de las clásicas relaciones recíprocas con la filosofía de la discretización del Método de los Elementos Finitos.

Modelos numéricos en la construcción de los túneles de "El Padrún"

La construcción de los túneles de El Padrún constituye un hito en la realización de obras subterráneas en España. Su ejecución se ha caracterizado por la utilización de la más reciente tecnología. La aplicación del llamado Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles (NATM) como base del proyecto se ha llevado a cabo con rigor en todos sus extremos. De acuerdo a esta filosofía, el trabajo de la Asistencia Técnica se ha centrado en una doble línea: el control instrumental sistemático de la obra, y la interpretación de los datos recogidos mediante análisis numérico. El primer objetivo se ha cubierto mediante un ambicioso plan de instrumentación. En él se han incluido medidas para la caracterización del sistema terreno-sostenimiento. La información se ha mantenido centralizada en una base de datos dispuesta a pie de obra. Los datos recogidos de la instrumentación han sido la base de modelos teóricos desarrollados con el objetivo de interpretar la evolución de convergencias e identificar las presiones actuantes sobre el sostenimiento. Por otro lado, en el análisis de estabilidad exterior e interior se han aplicado refinadas técnicas de cálculo numérico (Elementos Finitos, Elementos de Contorno, Teoría de Bloques etc.). Finalmente, se ha desarrollado una aplicación específica de Métodos de Fiabilidad. En ella se aborda, con un planteamiento avanzado, el problema de evaluación de la seguridad de la obra.

Modelling of chloride transport in non-saturated concrete : from microscale to macroscale

Corrosion of steel bars embedded in concrete has a great influence on structural performance and durability of reinforced concrete. Chloride penetration is considered to be a primary cause of concrete deterioration in a vast majority of structures. Therefore, modelling of chloride penetration into concrete has become an area of great interest. The present work focuses on modelling of chloride transport in concrete. The differential macroscopic equations which govern the problem were derived from the equations at the microscopic scale by comparing the porous network with a single equivalent pore whose properties are the same as the average properties of the real porous network. The resulting transport model, which accounts for diffusion, migration, advection, chloride binding and chloride precipitation, consists of three coupled differential equations. The first equation models the transport of chloride ions, while the other two model the flow of the pore water and the heat transfer. In order to calibrate the model, the material parameters to determine experimentally were identified. The differential equations were solved by means of the finite element method. The classical Galerkin method was employed for the pore solution flow and the heat transfer equations, while the streamline upwind Petrov Galerkin method was adopted for the transport equation in order to avoid spatial instabilities for advection dominated problems. The finite element codes are implemented in Matlab® . To retrieve a good understanding of the influence of each variable and parameter, a detailed sensitivity analysis of the model was carried out. In order to determine the diffusive and hygroscopic properties of the studied concretes, as well as their chloride binding capacity, an experimental analysis was performed. The model was successfully compared with experimental data obtained from an offshore oil platform located in Brazil. Moreover, apart from the main objectives, numerous results were obtained throughout this work. For instance, several diffusion coefficients and the relation between them are discussed. It is shown how the electric field set up between the ionic species depends on the gradient of the species’ concentrations. Furthermore, the capillary hysteresis effects are illustrated by a proposed model, which leads to the determination of several microstructure properties, such as the pore size distribution and the tortuosity-connectivity of the porous network. El fenómeno de corrosión del acero de refuerzo embebido en el hormigón ha tenido gran influencia en estructuras de hormigón armado, tanto en su funcionalidad estructural como en aspectos de durabilidad. La penetración de cloruros en el interior del hormigón esta considerada como el factor principal en el deterioro de la gran mayoría de estructuras. Por lo tanto, la modelización numérica de dicho fenómeno ha generado gran interés. El presente trabajo de investigación se centra en la modelización del transporte de cloruros en el interior del hormigón. Las ecuaciones diferenciales que gobiernan los fenómenos a nivel macroscópico se deducen de ecuaciones planteadas a nivel microscópico. Esto se obtiene comparando la red porosa con un poro equivalente, el cual mantiene las mismas propiedades de la red porosa real. El modelo está constituido por tres ecuaciones diferenciales acopladas que consideran el transporte de cloruros, el flujo de la solución de poro y la transferencia de calor. Con estas ecuaciones se tienen en cuenta los fenómenos de difusión, migración, advección, combinación y precipitación de cloruros. El análisis llevado a cabo en este trabajo ha definido los parámetros necesarios para calibrar el modelo. De acuerdo con ellas, se seleccionaron los ensayos experimentales a realizar. Las ecuaciones diferenciales se resolvieron mediante el método de elementos finitos. El método clásico de Galerkin se empleó para solucionar las ecuaciones de flujo de la solución de poro y de la transferencia de calor, mientras que el método streamline upwind Petrov-Galerkin se utilizó para resolver la ecuación de transporte de cloruros con la finalidad de evitar inestabilidades espaciales en problemas con advección dominante. El código de elementos finitos está implementado en Matlab® . Con el objetivo de facilitar la comprensión del grado de influencia de cada variable y parámetro, se realizó un análisis de sensibilidad detallado del modelo. Se llevó a cabo una campaña experimental sobre los hormigones estudiados, con el objeto de obtener sus propiedades difusivas, químicas e higroscópicas. El modelo se contrastó con datos experimentales obtenidos en una plataforma petrolera localizada en Brasil. Las simulaciones numéricas corroboraron los datos experimentales. Además, durante el desarrollo de la investigación se obtuvieron resultados paralelos a los planteados inicialmente. Por ejemplo, el análisis de diferentes coeficientes de difusión y la relación entre ellos. Así como también se observó que el campo eléctrico establecido entre las especies iónicas disueltas en la solución de poro depende del gradiente de concentración de las mismas. Los efectos de histéresis capilar son expresados por el modelo propuesto, el cual conduce a la determinación de una serie de propiedades microscópicas, tales como la distribución del tamaño de poro, además de la tortuosidad y conectividad de la red porosa.

Modelado numérico de la fisuración por corrosión de armaduras

Se propone un modelo de elementos finitos, para el estudio de los efectos mecánicos de la corrosión del acero en el hormigón armado. Dicho modelo se basa en una imposición ordenada de la corrosión de los elementos de acero, mediante un incremento ficticio de temperatura que produce unos efectos análogos, a la vez que la fisuración del hormigón se recoge mediante un modelo conocido de fisura difusa. Se incluye un ejemplo resuelto que muestra el modo de aplicación de este modelo a problemas reales y el tipo de resultados que se pueden obtener, que se refieren especialmente al estudio de la propagación de la fisuración en función de la penetración de la corrosión en el acero.

Experimental and numerical analysis of reinforced concrete elements subjected to blast loading

El hormigón es uno de los materiales de construcción más empleados en la actualidad debido a sus buenas prestaciones mecánicas, moldeabilidad y economía de obtención, entre otras ventajas. Es bien sabido que tiene una buena resistencia a compresión y una baja resistencia a tracción, por lo que se arma con barras de acero para formar el hormigón armado, material que se ha convertido por méritos propios en la solución constructiva más importante de nuestra época. A pesar de ser un material profusamente utilizado, hay aspectos del comportamiento del hormigón que todavía no son completamente conocidos, como es el caso de su respuesta ante los efectos de una explosión. Este es un campo de especial relevancia, debido a que los eventos, tanto intencionados como accidentales, en los que una estructura se ve sometida a una explosión son, por desgracia, relativamente frecuentes. La solicitación de una estructura ante una explosión se produce por el impacto sobre la misma de la onda de presión generada en la detonación. La aplicación de esta carga sobre la estructura es muy rápida y de muy corta duración. Este tipo de acciones se denominan cargas impulsivas, y pueden ser hasta cuatro órdenes de magnitud más rápidas que las cargas dinámicas impuestas por un terremoto. En consecuencia, no es de extrañar que sus efectos sobre las estructuras y sus materiales sean muy distintos que las que producen las cargas habitualmente consideradas en ingeniería. En la presente tesis doctoral se profundiza en el conocimiento del comportamiento material del hormigón sometido a explosiones. Para ello, es crucial contar con resultados experimentales de estructuras de hormigón sometidas a explosiones. Este tipo de resultados es difícil de encontrar en la literatura científica, ya que estos ensayos han sido tradicionalmente llevados a cabo en el ámbito militar y los resultados obtenidos no son de dominio público. Por otra parte, en las campañas experimentales con explosiones llevadas a cabo por instituciones civiles el elevado coste de acceso a explosivos y a campos de prueba adecuados no permite la realización de ensayos con un elevado número de muestras. Por este motivo, la dispersión experimental no es habitualmente controlada. Sin embargo, en elementos de hormigón armado sometidos a explosiones, la dispersión experimental es muy acusada, en primer lugar, por la propia heterogeneidad del hormigón, y en segundo, por la dificultad inherente a la realización de ensayos con explosiones, por motivos tales como dificultades en las condiciones de contorno, variabilidad del explosivo, o incluso cambios en las condiciones atmosféricas. Para paliar estos inconvenientes, en esta tesis doctoral se ha diseñado un novedoso dispositivo que permite ensayar hasta cuatro losas de hormigón bajo la misma detonación, lo que además de proporcionar un número de muestras estadísticamente representativo, supone un importante ahorro de costes. Con este dispositivo se han ensayado 28 losas de hormigón, tanto armadas como en masa, de dos dosificaciones distintas. Pero además de contar con datos experimentales, también es importante disponer de herramientas de cálculo para el análisis y diseño de estructuras sometidas a explosiones. Aunque existen diversos métodos analíticos, hoy por hoy las técnicas de simulación numérica suponen la alternativa más avanzada y versátil para el cálculo de elementos estructurales sometidos a cargas impulsivas. Sin embargo, para obtener resultados fiables es crucial contar con modelos constitutivos de material que tengan en cuenta los parámetros que gobiernan el comportamiento para el caso de carga en estudio. En este sentido, cabe destacar que la mayoría de los modelos constitutivos desarrollados para el hormigón a altas velocidades de deformación proceden del ámbito balístico, donde dominan las grandes tensiones de compresión en el entorno local de la zona afectada por el impacto. En el caso de los elementos de hormigón sometidos a explosiones, las tensiones de compresión son mucho más moderadas, siendo las tensiones de tracción generalmente las causantes de la rotura del material. En esta tesis doctoral se analiza la validez de algunos de los modelos disponibles, confirmando que los parámetros que gobiernan el fallo de las losas de hormigón armado ante explosiones son la resistencia a tracción y su ablandamiento tras rotura. En base a los resultados anteriores se ha desarrollado un modelo constitutivo para el hormigón ante altas velocidades de deformación, que sólo tiene en cuenta la rotura por tracción. Este modelo parte del de fisura cohesiva embebida con discontinuidad fuerte, desarrollado por Planas y Sancho, que ha demostrado su capacidad en la predicción de la rotura a tracción de elementos de hormigón en masa. El modelo ha sido modificado para su implementación en el programa comercial de integración explícita LS-DYNA, utilizando elementos finitos hexaédricos e incorporando la dependencia de la velocidad de deformación para permitir su utilización en el ámbito dinámico. El modelo es estrictamente local y no requiere de remallado ni conocer previamente la trayectoria de la fisura. Este modelo constitutivo ha sido utilizado para simular dos campañas experimentales, probando la hipótesis de que el fallo de elementos de hormigón ante explosiones está gobernado por el comportamiento a tracción, siendo de especial relevancia el ablandamiento del hormigón. Concrete is nowadays one of the most widely used building materials because of its good mechanical properties, moldability and production economy, among other advantages. As it is known, it has high compressive and low tensile strengths and for this reason it is reinforced with steel bars to form reinforced concrete, a material that has become the most important constructive solution of our time. Despite being such a widely used material, there are some aspects of concrete performance that are not yet fully understood, as it is the case of its response to the effects of an explosion. This is a topic of particular relevance because the events, both intentional and accidental, in which a structure is subjected to an explosion are, unfortunately, relatively common. The loading of a structure due to an explosive event occurs due to the impact of the pressure shock wave generated in the detonation. The application of this load on the structure is very fast and of very short duration. Such actions are called impulsive loads, and can be up to four orders of magnitude faster than the dynamic loads imposed by an earthquake. Consequently, it is not surprising that their effects on structures and materials are very different than those that cause the loads usually considered in engineering. This thesis broadens the knowledge about the material behavior of concrete subjected to explosions. To that end, it is crucial to have experimental results of concrete structures subjected to explosions. These types of results are difficult to find in the scientific literature, as these tests have traditionally been carried out by armies of different countries and the results obtained are classified. Moreover, in experimental campaigns with explosives conducted by civil institutions the high cost of accessing explosives and the lack of proper test fields does not allow for the testing of a large number of samples. For this reason, the experimental scatter is usually not controlled. However, in reinforced concrete elements subjected to explosions the experimental dispersion is very pronounced. First, due to the heterogeneity of concrete, and secondly, because of the difficulty inherent to testing with explosions, for reasons such as difficulties in the boundary conditions, variability of the explosive, or even atmospheric changes. To overcome these drawbacks, in this thesis we have designed a novel device that allows for testing up to four concrete slabs under the same detonation, which apart from providing a statistically representative number of samples, represents a significant saving in costs. A number of 28 slabs were tested using this device. The slabs were both reinforced and plain concrete, and two different concrete mixes were used. Besides having experimental data, it is also important to have computational tools for the analysis and design of structures subjected to explosions. Despite the existence of several analytical methods, numerical simulation techniques nowadays represent the most advanced and versatile alternative for the assessment of structural elements subjected to impulsive loading. However, to obtain reliable results it is crucial to have material constitutive models that take into account the parameters that govern the behavior for the load case under study. In this regard it is noteworthy that most of the developed constitutive models for concrete at high strain rates arise from the ballistic field, dominated by large compressive stresses in the local environment of the area affected by the impact. In the case of concrete elements subjected to an explosion, the compressive stresses are much more moderate, while tensile stresses usually cause material failure. This thesis discusses the validity of some of the available models, confirming that the parameters governing the failure of reinforced concrete slabs subjected to blast are the tensile strength and softening behaviour after failure. Based on these results we have developed a constitutive model for concrete at high strain rates, which only takes into account the ultimate tensile strength. This model is based on the embedded Cohesive Crack Model with Strong Discontinuity Approach developed by Planas and Sancho, which has proved its ability in predicting the tensile fracture of plain concrete elements. The model has been modified for its implementation in the commercial explicit integration program LS-DYNA, using hexahedral finite elements and incorporating the dependence of the strain rate, to allow for its use in dynamic domain. The model is strictly local and does not require remeshing nor prior knowledge of the crack path. This constitutive model has been used to simulate two experimental campaigns, confirming the hypothesis that the failure of concrete elements subjected to explosions is governed by their tensile response, being of particular relevance the softening behavior of concrete.

La barrera del análisis estructural y la representación gráfica en el desarrollo de los proyectos arquitectónicos: el caso de la Ópera de Sidney

En numerosas ocasiones a lo largo de la historia la imaginación de los creadores ha ido por delante de las posibilidades técnicas de cada momento. Así, muchas de estas nuevas ideas han requerido largos periodos de tiempo para materializarse como realidad construida, hasta que el desarrollo tecnológico e industrial hubo alcanzado un grado de madurez suficiente. En el campo de la arquitectura, estas limitaciones técnicas se han ido acotando paulatinamente hasta desembocar en la situación actual en la que cualquier planteamiento formal puede ser representado gráficamente y analizado desde un punto de vista estructural, superádose de este modo la barrera existente históricamente en el tratamiento de las formas. A lo largo del presente tesis doctoral se analiza cómo la formulación del Método de los Elementos Finitos en la década de los cincuenta y las curvas de Bézier en la década de los sesenta del siglo pasado y la posterior generalización de los ordenadores personales y de los programas informáticos asociados (C.A.D. y F.E.M. principalmente) en los estudios de arquitectura e ingeniería a partir de la década de los noventa, posibilitó el desarrollo de cualquier propuesta arquitectónica, por compleja que ésta fuese, provocando una verdadera revolución a nivel formal en el mundo de la arquitectura, especialmente en el campo de la edificación singular o icónica. Se estudia este proceso a través de ocho edificios; cuatro anteriores y otros tantos posteriores a la desaparición de la barrera anteriormente referida, establecida de forma simbólica en la década de los años ochenta del siglo XX: Frontón de Recoletos en Madrid, Edificio Seagram en Nueva York, Habitat ’67 en Montreal, Ópera de Sídney, museo Guggenheim de Bilbao, ampliación del Victoria & Albert Museum en Londres, tanatorio “Meiso no Mori” en Gifu y nueva sede de la CCTV en Pekín. De entre ellos, la Ópera de Sídney, obra del arquitecto danés Jørn Utzon, condensa gran parte de los aspectos relevantes investigados en relación a la influencia que los métodos de representación y análisis estructural ejercen en la concepción y construcción de las obras de arquitectura. Por este motivo y por considerarse un hito de la arquitectura a nivel global se toma como caso de estudio. La idea general del edificio, que data de 1956, se enmarca en una época inmediatamente anterior a la del desarrollo científico y tecnológico anteriormente referido. Esta ausencia de herramientas de diseño disponibles acordes a la complejidad formal de la propuesta planteada condicionó enormente la marcha del proyecto, dilatándose dramáticamente en el tiempo y disparándose su coste hasta el punto de que el propio arquitecto danés fue separado de las obras antes de su conclusión. Además, la solución estructural finalmente construida de las cubiertas dista mucho de la prevista por Utzon inicialmente. Donde él había imaginado unas finas láminas de hormigón flotando sobre el paisaje se materializó una estructura más pesada, formada por costillas pretensadas de hormigón con unas secciones notablemente mayores. La forma también debió ser modificada de modo ostensible respecto a la propuesta inicial. Si este edificio se pretendiese construir en la actualidad, con toda seguridad el curso de los acontecimientos se desarrollaría por senderos muy diferentes. Ante este supuesto, se plantean las siguientes cuestiones: ¿sería posible realizar un análisis estructural de la cubierta laminar planteada por Utzon inicialmente en el concurso con las herramientas disponibles en la actualidad?; ¿sería dicha propuesta viable estructuralmente?. A lo largo de las siguientes páginas se pretende dar respuesta a estas cuestiones, poniendo de relieve el impacto que los ordenadores personales y los programas informáticos asociados han tenido en la manera de concebir y construir edificios. También se han analizado variantes a la solución laminar planteada en la fase de concurso, a través de las cuales, tratando en la medida de lo posible de ajustarse a las sugerencias que Ove Arup y su equipo realizaron a Jørn Utzon a lo largo del dilatado proceso de proyecto, mejorar el comportamiento general de la estructura del edificio. Por último, se ha pretendido partir de cero y plantear, desde una perspectiva contemporánea, posibles enfoques metodológicos aplicables a la búsqueda de soluciones estructurales compatibles con la forma propuesta originalmente por Utzon para las cubiertas de la Ópera de Sídney y que nunca llegó a ser construida (ni analizada), considerando para ello los medios tecnológicos, científicos e industriales disponibles en la actualidad. Abstract On numerous occasions throughout history the imagination of creators has gone well beyond of the technical possibilities of their time. Many new ideas have required a long period to materialize, until the technological and industrial development had time to catch up. In the architecture field, these technical limitations have gradually tightened leading to the current situation in which any formal approach can be represented and analyzed from a structural point of view, thus concluding that the structural analysis and the graphical representation’s barrier in the development of architectural projects has dissappeared. Throughout the following pages it is examined how the development of the Finite Element Method in the fifties and the Bezier curves in the sixties of the last century and the subsequent spread of personal computers and specialized software in the architectural and engineering offices from the nineties, enabled the development of any architectural proposal independently of its complexity. This has caused a revolution at a formal level in architecture, especially in the field of iconic building. This process is analyzed through eight buildings, four of them before and another four after the disappearance of the above mentioned barrier, roughly established in the eighties of the last century: Fronton Recoletos in Madrid, Seagram Building in New York Habitat '67 in Montreal, Sydney Opera House, Guggenheim Museum Bilbao, Victoria & Albert Museum extension in London, Crematorium “Meiso no Mori” in Gifu and the new CCTV headquarters in Beijing. Among them, the Sydney Opera House, designed by Danish architect Jørn Utzon, condenses many of the main aspects previously investigated regarding the impact of representation methods and structural analysis on the design and construction of architectural projects. For this reason and also because it is considered a global architecture milestone, it is selected as a case study. The building’s general idea, which dates from 1956, is framed at a time immediately preceding the above mentioned scientific and technological development. This lack of available design tools in accordance with the proposal’s formal complexity conditioned enormously the project’s progress, leading to a dramatic delay and multiplying the final budget disproportionately to the point that the Danish architect himself was separated from the works before completion. Furthermore, the built structure differs dramatically from the architect’s initial vision. Where Utzon saw a thin concrete shell floating over the landscape a heavier structure was built, consisting of prestressed concrete ribs with a significantly greater size. The geometry also had to be modified. If this building were to built today, the course of events surely would walk very different paths. Given this assumption, a number of questions could then be formulated: Would it be possible to perform a structural analysis of Utzon’s initially proposed competition-free-ways roof’s geometry with the tools available nowadays?; Would this proposal be structurally feasable?. Throughout the following pages it is intended to clarify this issues, highlighting personal computers and associated software’s impact in building design and construction procedures, especially in the field of iconic building. Variants have also been analyzed for the laminar solution proposed in the competition phase, through which, trying as far as possible to comply with the suggestions that Ove Arup and his team did to Jørn Utzon along the lengthy process project, improving the overall performance of the building structure. Finally, we have started from scratch and analyzed, from a contemporary perspective, possible structural solutions compatible with Utzon’s Opera House’s original geometry and vision –proposal that was never built (nor even analyzed)-, taking into consideration the technological, scientific and industrial means currently available.

Three decades of Space Activities at the Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" / Universidad Politécnica de Madrid (IDR/UPM) en History of Rocketry and Astronautics

Strictly speaking, space related activities at the Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos (ETSIA) begun in 1973, when Prof. Ignacio Da Riva got a contract from the European Space Agency (ESA) to compile a handbook on spacecraft thermal control. By the same time, ESA issued an announcement of opportunities offering to the European scientific community the possibility of perform microgravity relevant experiments on board space platform like the European orbital laboratory Spacelab. Prof. Da Riva proposed one of the few selected experiments dealing with fluid physics under microgravity conditions, later flown on Spacelab-1 mission in 1983. These two events were the starting point where Prof. Da Riva, full professor of Aerodynamics at ETSIA, nucleated a small group of young professors and students located at the Laboratorio de Aerodinámica y Mecánica de Fluidos (LAMF) of ETSIA. Such group was leaded by Prof. Da Riva since its creation till 1991, when Prof. Da Riva died, and it was the seed of the more recently created research institute for aerospace science and technology named "Ignacio Da Riva" (IDR) in his honour. In this communication space related activities performed either at LAMF or IDR during the last three decades are briefly described.