Metodología para el análisis de los efectos de la rotura de un depósito en entorno urbano y clasificación de su riesgo potencial

El riesgo asociado a la rotura de un depósito de agua en entorno urbano (como la ocurrida, por ejemplo, en la Ciudad Autónoma de Melilla en Noviembre de 1997) y los potenciales daños que puede causar, pone en duda la seguridad de este tipo de infraestructuras que, por necesidades del servicio de abastecimiento de agua, se construyen habitualmente en puntos altos y cercanos a los núcleos de población a los que sirven. Sin embargo, la baja probabilidad de que se produzca una rotura suele rebajar los niveles de alerta asociados a los depósitos, haciéndose hincapié en la mejora de los métodos constructivos sin elaborar metodologías que, como en el caso de las presas y las balsas de riego, establezcan la necesidad de clasificar el riesgo potencial de estas infraestructuras en función de su emplazamiento y de estudiar la posible construcción de medidas mitigadoras de una posible rotura. Por otro lado, para establecer los daños que pueden derivarse de una rotura de este tipo, se hace imprescindible la modelización bidimensional de la ola de rotura por cuanto la malla urbana a la que afectaran no es susceptible de simulaciones unidimensionales, dado que no hay un cauce que ofrezca un camino preferente al agua. Este tipo de simulación requiere de una inversión económica que no siempre está disponible en la construcción de depósitos de pequeño y mediano tamaño. Esta tesis doctoral tiene como objetivo el diseño de una metodología simplificada que, por medio de graficas y atendiendo a las variables principales del fenómeno, pueda estimar un valor para el riesgo asociado a una posible rotura y sirva como guía para establecer si un deposito (existente o de nueva implantación) requiere de un modelo de detalle para estimar el riesgo y si es conveniente implantar alguna medida mitigadora de la energía producida en una rotura de este tipo. Con carácter previo se ha establecido que las variables que intervienen en la definición de riesgo asociado a la rotura, son el calado y la velocidad máxima en cada punto sensible de sufrir daños (daños asociados al vuelco y arrastre de personas principalmente), por lo que se ha procedido a estudiar las ecuaciones que rigen el problema de la rotura del depósito y de la transmisión de la onda de rotura por la malla urbana adyacente al mismo, así como los posibles métodos de resolución de las mismas y el desarrollo informático necesario para una primera aproximación a los resultados. Para poder analizar las condiciones de contorno que influyen en los valores resultantes de velocidad y calado, se ha diseñado una batería de escenarios simplificados que, tras una modelización en detalle y un análisis adimensional, han dado como resultado que las variables que influyen en los valores de calado y velocidad máximos en cada punto son: la altura de la lamina de agua del depósito, la pendiente del terreno, la rugosidad, la forma del terreno (en términos de concavidad) y la distancia del punto de estudio al deposito. Una vez definidas las variables que influyen en los resultados, se ha llevado a cabo una segunda batería de simulaciones de escenarios simplificados que ha servido para la discusión y desarrollo de las curvas que se presentan como producto principal de la metodología simplificada. Con esta metodología, que solamente necesita de unos cálculos simples para su empleo, se obtiene un primer valor de calado y velocidad introduciendo la altura de la lámina de agua máxima de servicio del depósito cuyo riesgo se quiere evaluar. Posteriormente, y utilizando el ábaco propuesto, se obtienen coeficientes correctores de los valores obtenidos para la rugosidad y pendiente media del terreno que se esta evaluando, así como para el grado de concavidad del mismo (a través de la pendiente transversal). Con los valores obtenidos con las curvas anteriores se obtienen los valores de calado y velocidad en el punto de estudio y, aplicando la formulación propuesta, se obtiene una estimación del riesgo asociado a la rotura de la infraestructura. Como corolario a la metodología mencionada, se propone una segunda serie de gráficos para evaluar, también de forma simplificada, la reducción del riesgo que se obtendría con la construcción de alguna medida mitigadora como puede ser un dique o murete perimetral al depósito. Este método de evaluación de posible medidas mitigadoras, aporta una guía para analizar la posibilidad de disminuir el riesgo con la construcción de estos elementos, o la necesidad de buscar otro emplazamiento que, si bien pueda ser no tan favorable desde el punto de vista de la explotación del depósito, presente un menor riesgo asociado a su rotura. Como complemento a la metodología simplificada propuesta, y además de llevar a cabo la calibración de la misma con los datos obtenidos tras la rotura del depósito de agua de Melilla, se ha realizado una serie de ejemplos de utilización de la metodología para, además de servir de guía de uso de la misma, poder analizar la diferencia entre los resultados que se obtendrían con una simulación bidimensional detallada de cada uno de los casos y el método simplificado aplicado a los mismos. The potential risk of a catastrophic collapse of a water supply reservoir in an urban area (such as the one occurred in Melilla in November 1997) and the damages that can cause, make question the security in this kind of infrastructures, which, by operational needs, are frequently built in high elevations and close to the urban areas they serve to. Since the likelihood of breakage is quite low, the alert levels associated to those infrastructures have also been downgraded focussing on the improvement of the constructive methods without developing methodologies (like the ones used in the case of dams or irrigation ponds) where there is a need of classifying the potential risk of those tanks and also of installing mitigating measures. Furthermore, to establish the damages related to a breakage of this kind, a twodimensional modelling of the breakage wave becomes imperative given that the urban layout does not provide a preferential way to the water. This kind of simulation requires financial investment that is not always available in the construction of small and medium sized water tanks. The purpose of this doctoral thesis is to design a simplified methodology, by means of charts and attending to the main variables of the phenomenon, that could estimate a value to the risk associated to a possible breakage. It can also be used as a guidance to establish if a reservoir (existing or a new one) requires a detailed model to estimate the risk of a breakage and the benefits of installing measures to mitigate the breakage wave effects. Previously, it has been established that the variables involved in the risk associated to a breakage are the draft and the maximum speed in every point susceptible to damages (mainly damages related to people). Bellow, the equations ruling the problem of the reservoir breakage have been studied as well as the transmission of the breakage wave through the urban network of the city and the possible methods to solve the equations and the computer development needed to a first approach to the results. In order to be able to analyse the boundary conditions affecting the values resulting (speed and draft), a set of scenarios have been designed. After a detailed modelling and a dimensionless analysis it has been proved that the variables that influence the operational draughts and the maximum speed in every point are the water level in the tank, the slope, the roughness and form (in terms of concavity) of the terrain and the distance between the tank and the control point. Having defined the involving variables, a second set of simulations of the simplified scenarios has been carried out and has helped to discuss and develop the curves that are here presented as the final product of the simplified methodology. This methodology only needs some simple calculations and gives a first value of draft and speed by introducing the maximum water level of the tank being evaluated. Subsequently, using the suggested charts, the method gives correction coefficients of the measured values for roughness and average slope of the assessed terrain as well as the degree of concavity (through transverse gradient).With the values from the previous curves (operational draughts and speed at the point of survey) and applying the proposed formulation, an estimation of the risk associated to the breakage of the infrastructure is finally obtained. As a corollary of the mentioned methodology, another set of diagrams is proposed in order to evaluate, in a simplified manner also, the risk reduction that could be gained with the construction of some mitigating measures such as dikes or retaining walls around the reservoir. This evaluating method provides a guide to analyse the possibility to reduce the risk, constructing those elements or even looking for a different site that could be worse in terms of exploitation of the tank but much safer. As a complement to the simplified methodology here proposed, and apart from completing its calibration with the obtained data after the reservoir breakage in Melilla, a number of examples of the use of the methodology have been made to be used as a user guide of the methodology itself, as well as giving the possibility of analysing the different results that can be obtained from a thorough two-dimensional simulation or from the simplified method applied to the examples.

Estabilidad de puentes líquidos bajo el efecto de una rotación no axilsimétrica

El estudio de la influencia de perturbaciones de distinta naturaleza en configuraciones de puentes líquidos apoyados en dos discos coaxiales en rotación encuentra una importante motivación en el uso de dicha configuración en la fabricación de cristales semiconductores ultra-puros por la denominada técnica de zona flotante, en la que la rotación de los discos se utiliza para alcanzar temperaturas uniformes. El presente estudio muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de un método numérico en el análisis de la estabilidad de puentes líquidos en isorrotación sometidos al efecto de una fuerza axial uniforme (gravedad axial) y una excentricidad entre el eje de giro y el eje de los discos. Se analiza el efecto de la aplicación de estos factores tanto de forma conjunta como por separado. Aunque existen numerosos estudios previos sobre puentes líquidos sometidos a diversos efectos, el análisis del efecto combinado de la rotación con excentricidad y gravedad axial no ha sido realizado con anterioridad. Este estudio permite además entender los resultados del experimento a bordo de la misión TEXUS-23, en el que un puente líquido sujeto entre dos discos circulares y coaxiales es sometido al efecto de una rotación creciente en torno a un eje desplazado respecto al eje de los discos. Aunque en el experimento no se impone una fuerza axial controlada, la desestabilización y rotura del puente se produce de forma notablemente asimétrica, lo que no puede ser explicado con los estudios precedentes y sugiere una posible presencia de una aceleración axial residual. Se ha desarrollado por tanto un método de análisis de imágenes que permite comparar las formas obtenidas en el experimento con las calculadas numéricamente. En este estudio se muestran los detalles del procesado realizado en las imágenes de la misión TEXUS-23, y los resultados de su comparación con el análisis numérico, que permiten determinar el valor de la gravedad axial que mejor reproduce los resultados del experimento. Estos resultados ponen de manifiesto la importancia del conocimiento y la modelización de efectos cuya presencia (intencionada o no) afectan de forma visible a la estabilidad y la morfología de los puentes líquidos. ABSTRACT The study of the influence of various disturbances in configurations consisting of a liquid bridge supported by two co-axial disks in rotation has an important motivation in the use of this configuration in the fabrication of ultrapure semiconductor crystals via the so-called floating zone technique, in which the rotation of the disks is used to achieve a uniform temperature field. The present study shows the results obtained through the application of a numerical method in the analysis of the stability of liquid bridges in isorotation under the effect of a uniform axial force field (axial gravity) and an offset between the rotation axis and the axis of the supporting disks (eccentricity). The analysis studies the effect of both the combined and separate application of these factors. Although there are numerous studies on liquid bridges subject to various effects, the analysis of the combined effect of rotation with eccentricity and axial gravity has not been done before. Furthermore, this study allows us to understand the results from the experiment aboard the TEXUS-23 mission, in which a liquid bridge supported between two circular-shaped, co-axial disks is subject to the effect of an increasing rotation around an axis with an offset with respect to the axis of the disks. Although the experiment conditions do not include a controlled axial force field, the instability and breakage of the bridge occurs with a marked asymmetry, which cannot be explained by previous studies and suggests the possible presence of a residual axial gravity. Therefore, an image analysis method has been developed which allows to compare the shapes obtained in the experiment with those calculated with the numerical method. This study shows the details of the processing performed on the images from the TEXUS-23 mission and the results from their comparison with the numerical analysis, which allow to determine the axial gravity value which best recovers the experimental results. These results highlight the importance of the understanding and modelling of effects which, when present (intentionally or not), noticeably affect the stability and shape of the liquid bridges.

Modelización de la respuesta de elementos estructurales lineales de vidrio plano : vigas y pilares pretensados

El vidrio se trata de un material muy apreciado en la arquitectura debido a la transparencia, característica que pocos materiales tienen. Pero, también es un material frágil, con una rotura inmediata cuando alcanza su límite elástico, sin disponer de un período plástico, que advierta de su futura rotura y permita un margen de seguridad. Por ambas razones, el vidrio se ha utilizado en arquitectura como elemento de plementería o relleno, desde tiempos antiguos, pero no como elemento estructural o portante, pese a que es un material interesante para los arquitectos para ese uso, por su característica de transparencia, ya que conseguiría la desmaterialización visual de la estructura, logrando espacios más ligeros y livianos. En cambio, si se tienen en cuenta las propiedades mecánicas del material se puede comprobar que dispone de unas características apropiadas para su uso estructural, ya que su Módulo elástico es similar al del aluminio, elemento muy utilizado en la arquitectura principalmente en las fachadas desde los últimos años, y su resistencia a compresión es muy superior incluso al hormigón armado; aunque su principal problema es su resistencia a tracción que es muy inferior a su resistencia a compresión, lo que penaliza su resistencia a flexión. En la actualidad se empieza a utilizar el vidrio como elemento portante o estructural, pero debido a su peor resistencia a flexión, se utilizan con grandes dimensiones que, a pesar de su transparencia, tienen una gran presencia. Por ello, la presente investigación pretende conseguir una reducción de las secciones de estos elementos estructurales de vidrio. Entonces, para el desarrollo de la investigación es necesario responder a una serie de preguntas fundamentales, cuyas respuestas serán el cuerpo de la investigación: 1. ¿Cuál es la finalidad de la investigación? El objetivo de esta investigación es la optimización de elementos estructurales de vidrio para su utilización en arquitectura. 2. ¿Cómo se va a realizar esa optimización? ¿Qué sistemas se van a utilizar? El sistema para realizar la optimización será la pretensión de los elementos estructurales de vidrio 3. ¿Por qué se va a utilizar la precompresión? Porque el vidrio tiene un buen comportamiento a compresión y un mal comportamiento a tracción lo que penaliza su utilización a flexión. Por medio de la precompresión se puede incrementar esta resistencia a tracción, ya que los primeros esfuerzos reducirán la compresión inicial hasta comenzar a funcionar a tracción, y por tanto aumentará su capacidad de carga. 4. ¿Con qué medios se va a comprobar y justificar ese comportamiento? Mediante simulaciones informáticas con programas de elementos finitos. 5. ¿Por qué se utilizará este método? Porque es una herramienta que arroja ventajas sobre otros métodos como los experimentales, debido a su fiabilidad, economía, rapidez y facilidad para establecer distintos casos. 6. ¿Cómo se garantiza su fiabilidad? Mediante el contraste de resultados obtenidos con ensayos físicos realizados, garantizando de ésta manera el buen comportamiento de los programas utilizados. El presente estudio tratará de responder a todas estas preguntas, para concluir y conseguir elementos estructurales de vidrio con secciones más reducidas gracias a la introducción de la precompresión, todo ello a través de las simulaciones informáticas por medio de elementos finitos. Dentro de estas simulaciones, también se realizarán comprobaciones y comparaciones entre distintas tipologías de programas para comprobar y contrastar los resultados obtenidos, intentando analizar cuál de ellos es el más idóneo para la simulación de elementos estructurales de vidrio. ABSTRACT Glass is a material very appreciated in architecture due to its transparency, feature that just a few materials share. But it is also a brittle material with an immediate breakage when it reaches its elastic limit, without having a plastic period that provides warning of future breakage allowing a safety period. For both reasons, glass has been used in architecture as infill panels, from old times. However, it has never been used as a structural or load‐bearing element, although it is an interesting material for architects for that use: because of its transparency, structural glass makes possible the visual dematerialization of the structure, achieving lighter spaces. However, taking into account the mechanical properties of the material, it is possible to check that it has appropriate conditions for structural use: its elastic modulus is similar to that of aluminium, element widely used in architecture, especially in facades from recent years; and its compressive strength is much higher than even the one of concrete. However, its main problem consists in its tensile strength that is much lower than its compressive strength, penalizing its resistance to bending. Nowadays glass is starting to be used as a bearing or structural element, but due to its worse bending strength, elements with large dimensions must be used, with a large presence despite its transparency. Therefore this research aims to get smaller sections of these structural glass elements. For the development of this thesis, it is necessary to answer a number of fundamental questions. The answers will be the core of this work: 1. What is the purpose of the investigation? The objective of this research is the optimization of structural glass elements for its use in architecture. 2. How are you going to perform this optimization? What systems will be implemented? The system for optimization is the pre‐stress of the structural elements of glass 3. Why are you going to use the pre‐compression? Because glass has a good resistance to compression and a poor tensile behaviour, which penalizes its use in bending elements. Through the pre‐compression it is possible to increase this tensile strength, due to the initial tensile efforts reducing the pre‐stress and increasing its load capacity. 4. What are the means that you will use in order to verify and justify this behaviour? The means are based on computer simulations with finite element programs (FEM) 5. Why do you use this method? Because it is a tool which gives advantages over other methods such as experimental: its reliability, economy, quick and easy to set different cases. 6. How the reliability is guaranteed? It’s guaranteed comparing the results of the simulation with the performed physical tests, ensuring the good performance of the software. This thesis will attempt to answer all these questions, to obtain glass structural elements with smaller sections thanks to the introduction of the pre‐compression, all through computer simulations using finite elements methods. In these simulations, tests and comparisons between different types of programs will also be implemented, in order to test and compare the obtained results, trying to analyse which one is the most suitable for the simulation of structural glass elements.

Nuevo concepto de elementos estructurales horizontales de vidrio : placa autoportante y pretensada en forma de pi

En los últimos años, podemos darnos cuenta de la importancia que tienen las nuevas aplicaciones de vidrio especialmente en edificios turísticos donde el vértigo juega un papel importante en la visita. Sin embargo los sistemas constructivos no tienen un especial interés porque el vidrio laminado está siempre soportado por otro elemento de acero o incluso vidrio en forma de retícula. En la presente tesis voy a desarrollar una nueva solución de elemento autoportante de vidrio de gran tamaño haciendo seguro el uso del elemento para andar en el aire. El sueño de muchos arquitectos ha sido diseñar un edificio completamente transparente y a mí me gustaría contribuir a este sueño empezando a estudiar un forjado de vidrio como elemento estructural horizontal y para ello debemos cumplir requerimientos de seguridad. Uno de los objetivos es lograr un elemento lo más transparente y esbelto posible para el uso de pasarelas en vestíbulos de edificios. Las referencias construidas son bien conocidas, pero por otro lado Universidades europeas estudian continua estudiando el comportamiento del vidrio con diferentes láminas, adhesivos, apilados, insertos, sistemas de laminado, pretensado, pandeo lateral, seguridad post-rotura y muchos más aspectos necesarios. La metodología llevada a cabo en esta tesis ha sido primeramente diseñar un elemento industrial prefabricado horizontal de vidrio teniendo en cuenta todos los conceptos aprendidos en el estado del arte y la investigación para poder predimensionar el elemento. El siguiente paso será verificar el modelo por medio de cálculo analítico, simulación de elementos finitos y ensayos físicos. Para realizar los ensayos hay un paso intermedio teniendo que cambiar la hipótesis de carga uniforme a carga puntal para realizar el ensayo de flexión a 4 puntos normalizado y además cambiar a escala 1:2 para adaptarse al espacio de ensayo y ser viable económicamente. Finalmente compararé los resultados de tensión y deformación obtenidos por los tres métodos para extraer conclusiones. Sin embargo el problema de la seguridad no ha concluido, tendré que demostrar que el sistema es seguro después de que se produzca la rotura y para ello sólo dispongo de los ensayos como medio de demostración. El diseño es el resultado de la evolución de una viga tipo “I”; cuando es pretensada para obtener más resistencia, aparece el problema de pandeo lateral y éste es solucionado con una viga con sección en “T” cuya unión es resuelta con un cajeado longitudinal en la parte inferior del elemento horizontal. Las alas de éste crecen para recoger las cargas superficiales creando a su vez un punto débil en la unión que a su vez se soluciona duplicando la sección “TT” y haciendo trabajar dicho tablero de forma tan óptima como una viga continua. Dicha sección en vidrio como un único elemento pretensado es algo inédito. Además he diseñado unas escuadras metálicas en los extremos de los nervios como apoyo y placa de pretensión, así como una hendidura curva en el centro de los nervios para alojar los tirantes de acero de modo que al pretensar el tirante la placa corrija al menos la deformación por peso propio. Realizados los cambios geométricos de escala y las simplificaciones en el laminado y el adhesivo se programan la extracción de resultados desde 3 estadios diferentes: Sin pretensión y con pretensión de 750 Kg y de 1000Kg en cada nervio. Por cada estadio y por cada uno de los métodos, cálculo, simulación y ensayos, se extraen los datos de deformación y tensión en el punto medio de un nervio con el objetivo de hacer una comparación de resultados para obtener unas conclusiones, siempre en el campo de la elasticidad. Posteriormente incrementaré la carga hasta el momento de la rotura de la placa y después hasta el colapso teniendo en cuenta el tiempo y demostrando una rotura segura. El vidrio no tendrá un comportamiento plástico pero habrá sido controlado su comportamiento frágil manteniendo una carga y una deformación aceptable. ABSTRACT Over the past few years we have realized the importance of the new technologies regarding the application of glass in new buildings, especially those touristic places were the views and the heights are the reason of the visit. However, the construction systems of these glass platforms are not usually as interesting, because the laminated glass is always held by another steel substructure or even a grid-formed glass element. Throughout this thesis I am going to develop a new solution of a self-bearing element with big dimensions made out of glass, ensuring a safe solution to use as an element to walk on the air. The dream of many architects has been to create a building completely transparent, and I would like to contribute to this idea by making a glass slab as a horizontal structural element, for which we have to meet the security requirements. One of the goals is to achieve an element as transparent and slim as possible for the use in walkways of building lobbies. The glass buildings references are well known, but on the other hand the European Universities study the behaviour of the glass with different interlayers, adhesives, laminating systems, stacking, prestressed, buckling, safety, breakage and post-breakage capacity; and many other necessary aspects. The methodology followed in this thesis has been to first create a horizontal industrial prefabricated horizontal element of glass, taking into account all the concepts learned in the state of art and the investigation to be able to predimension this element. The next step will be to verify this model with an analytic calculus, a finite element modelling simulation and physical tests. To fulfil these tests there is an intermediate step, having to change the load hypothesis from a punctual one to make the test with a four points normalized deflexion, and also the scale of the sample was changed to 1:2 to adapt to the space of the test and make it economically possible. Finally, the results of tension and deformation obtained from the three methods have been compared to make the conclusions. However, the problem with safety has not concluded yet, for I will have to demonstrate that this system is safe even after its breakage, for which I can only use physical tests as a way of demonstration. The design is the result of the evolution of a typical “I” beam, which when it is prestressed to achieve more resistance, the effect of buckling overcomes, and this is solved with a “T” shaped beam, where the union is solved with a longitudinal groove on the inferior part of the horizontal element. The boards of this beam grow to cover the superficial loads, creating at the same time a weak point, which is solved by duplicating the section “TT” and therefore making this board work as optimal as a continuous beam. This glass section as a single prestressed element is unique. After the final design of the “π” glass plate was obtained and the composition of the laminated glass and interlayers has been predimensioned, the last connection elements must be contemplated. I have also designed a square steel shoe at the end of the beams, which will be the base and the prestressed board, as well as a curved slot in the centre of the nerves to accommodate the steel braces so that when this brace prestresses the board, at least the deformation due to its self-weight will be amended. Once I made the geometric changes of the scale and the simplifications on the laminating and the adhesive, the extraction on results overcomes from three different stages: without any pretension, with a pretension of 750 kg and with a pretension of 1000 kg on each rib. For each stage and for each one of the methods, calculus, simulation and tests, the deformation datum were extracted to obtain the conclusions, always in the field of the elasticity. Afterwards, I will increase the load until the moment of breakage of this board, and then until the collapse of the element, taking into account the time spent and demonstrating a safe breakage. The glass will not have a plastic behaviour, but its brittle behaviour has been controlled, keeping an acceptable load and deflection.