Estudio teórico-experimental para la mejora de la resistencia estructural de autocares basado en el diseño de uniones y asientos

La presente tesis analiza la mejora de la resistencia estructural ante vuelco de autocares enfocando dos vías de actuación: análisis y propuestas de requisitos reglamentarios a nivel europeo y la generación de herramientas que ayuden al diseño y a la verificación de estos requisitos. Los requisitos reglamentarios de resistencia estructural a vuelco contemplan la superestructura de los vehículos pero no para los asientos y sistemas de retención. La influencia de los pasajeros retenidos es superior a la incluida en reglamentación (Reg. 66.01) debiendo considerarse unida al vehículo un porcentaje de la masa de los pasajeros del 91% para cinturón de tres puntos y del 52% para cinturón subabdominal frente al 50% reglamentario para todos los casos. Se ha determinado la cinemática y dinámica del vuelco normativo en sus diferentes fases, formulando las energías en las fases iniciales (hasta el impacto contra el suelo) y determinando la fase final de deformación a través del análisis secuencial de ensayos de módulos reales. Se han determinado los esfuerzos para los asientos que se dividen en dos fases diferenciadas temporalmente: una primera debida a la deformación estructural y una segunda debida al esfuerzo del pasajero retenido que se produce en sentido opuesto (con una deceleración del pasajero en torno a 3.3 g). Se ha caracterizado a través de ensayos cuasi.estáticos el comportamiento de perfiles a flexión y de las uniones estructurales de las principales zonas del vehículo (piso, ventana y techo) verificándose la validez del comportamiento plástico teórico Kecman.García para perfiles de hasta 4 mm de espesor y caracterizando la resistencia y rigidez en la zona elástica de las uniones en función del tipo de refuerzo, materiales y perfiles (análisis de más de 180 probetas). Se ha definido un método de ensayo cuasi.estático para asientos ante esfuerzos de vuelco, ensayándose 19 butacas y determinándose que son resistentes (salvo las uniones a vehículo con pinzas), que son capaces de absorber hasta más de un 17% de la energía absorbida, aunque algunos necesitan optimización para llegar a contribuir en el mecanismo de deformación estructural. Se han generado modelos simplificados para introducir en los modelos barra.rótula plástica: un modelo combinado unión+rótula plástica (que incluye la zona de rigidez determinada en función del tipo de unión) para la superestructura y un modelo simplificado de muelles no.lineales para los asientos. Igualmente se ha generado la metodología de diseño a través de ensayos virtuales con modelos de detalle de elementos finitos tanto de las uniones como de los asientos. Se ha propuesto una metodología de diseño basada en obtener el “mecanismo óptimo de deformación estructural” (elevando la zona de deformación lateral a nivel de ventana y en pilar o en costilla en techo). Para ello se abren dos vías: diseño de la superestructura (selección de perfiles y generación de uniones resistentes) o combinación con asientos (que en lugar de solo resistir las cargas pueden llegar a modificar el mecanismo de deformación). Se ha propuesto una metodología de verificación alternativa al vuelco de vehículo completo que contempla el cálculo cuasi.estático con modelos simplificados barra.rótula plástica más el ensayo de una sección representativa con asientos y utillajes antropomórficos retenidos que permite validar el diseño de las uniones, determinar el porcentaje de energía que debe absorberse por deformación estructural (factor C) y verificar el propio asiento como sistema de retención. ABSTRACT This research analyzes the improvement of the structural strength of buses and coaches under rollover from two perspectives: regulatory requirements at European level and generation of tools that will help to the design and to the verification of requirements. European Regulations about rollover structural strength includes requirements for the superstructure of the vehicles but not about seats, anchorages and restraint systems. The influence of the retained passengers is higher than the one included currently in the Regulations (Reg. 66.01), being needed to consider a 91% of the passenger mass as rigidly joint to the vehicle (for 3 points’ belt, a 52% for 2 points’ belt) instead of the 50% included in the Regulation. Kinematic and dynamic of the normative rollover has been determined from testing of different sections, formulating the energies of the first phases (up to the first impact with the ground) and determining the last deformation phase through sequential analysis of movements and deformations. The efforts due to rollover over the seats have been established, being divided in two different temporal phases: a first one due to the structural deformation of the vehicle and a second one due to the effort of the restrained passenger being this second one in opposite sense (with a passenger deceleration around 3.3 g). From quasi.static testing, the behavior of the structural tubes under flexural loads, including the principal joints in the vehicle (floor, window and roof), the validity of the theoretical plastic behavior according Kecman.García theories have been verified up to 4 mm of thickness. Strength of the joints as well as the stiffness of the elastic zone has been determined in function of main parameters: type of reinforcement, materials and section of the tubes (more than 180 test specimens). It has been defined a quasi.static testing methodology to characterize the seats and restrain system behavior under rollover, testing 19 double seats and concluding that they are resistant (excepting clamping joints), that they can absorb more than a 17 of the absorbed energy, and that some of them need optimization to contribute in the structural deformation mechanism. It has been generated simplified MEF models, to analyze in a beam.plastic hinge model: a combined model joint+plastic hinge (including the stiffness depending on the type of joint) for the superstructure and a simplified model with non.lineal springs to represent the seats. It has been detailed methodologies for detailed design of joints and seats from virtual testing (MEF models). A design methodology based in the “optimized structural deformation mechanism” (increasing the height of deformation of the lateral up to window level) is proposed. Two possibilities are analyzed: design of the superstructure based on the selection of profiles and design of strength joints (were seats only resist the efforts and contribute in the energy absorption) or combination structure.seats, were seats contributes in the deformation mechanism. An alternative methodology to the rollover of a vehicle that includes the quasi.static calculation with simplified models “beam.joint+plastic hinge” plus the testing of a representative section of the vehicle including seats and anthropomorphic ballast restrained by the safety belts is presented. The test of the section allows validate the design of the joints, determine the percentage of energy to be absorbed by structural deformation (factor C) and verify the seat as a retention system.

Gust wind tunnel study on ballast pick-up by high-speed trains

This paper describes the experimental setup, procedure, and results obtained, concerning the dynamics of a body lying on a floor, attached to a hinge, and exposed to an unsteady flow, which is a model of the initiation of rotational motion of ballast stones due to the wind generated by the passing of a high-speed train. The idea is to obtain experimental data to support the theoretical model developed in Sanz-Andres and Navarro-Medina (J Wind Eng Ind Aerodyn 98, 772–783, (2010), aimed at analyzing the initial phase of the ballast train-induced-wind erosion (BATIWE) phenomenon. The experimental setup is based on an open circuit, closed test section, low-speed wind tunnel, with a new sinusoidal gust generator mechanism concept, designed and built at the IDR/UPM. The tunnel’s main characteristic is the ability to generate a flow with a uniform velocity profile and sinusoidal time fluctuation of the speed. Experimental results and theoretical model predictions are in good agreement.

Relationship between residual stresses and mechanical behavior in ceramic composites

En este trabajo, materiales de tipo alúmina/Y-TZP (ZrO2 tetragonal, estabilizada con 3 mol. % Y2O3), como sistema cerámico popular por sus mejoradas propiedades mecánicas en comparación con las cerámicas de alúmina puras, han sido estudiados en términos de propiedades mecánicas y tensiones residuales. El novedoso método de colado en cinta, consistente en el apilamiento de cintas de cerámica verde a temperatura ambiente y el uso de bajas presiones, se ha escogido para la presente investigación con el fin de poder aprovechar al máximo el futuro desarrollo de materiales laminados de alúmina-óxido de circonio. Se han determinado las propiedades de los materiales obtenidos por este nuevo método de procesamiento comparándolas con las de los materiales obtenidos por “slip casting”, con el fin de analizar si el método propuesto afecta a la microestructura y, por tanto, a las propiedades mecánicas y tensiones residuales propias de estos materiales. Para analizar la idoneidad del proceso de fabricación, utilizado para evitar la presencia de discontinuidades en las intercaras entre las láminas así como otros fenómenos que puedan interferir con las propiedades mecánicas, se estudiaron materiales cerámicos con la misma composición en cintas. Por otra parte también se analizó el efecto de la adición de óxido de circonio sobre la aparición de tensiónes residuales en cerámicas Al2O3/Y-TZP, teniendo en cuenta su notable influencia sobre las propiedades microestructurales y mecánicas de los materiales, así como el requisito de co-sinterización de capas con diferentes materiales compuestos en materiales laminados. La caracterización del material incluye la determinación de la densidad, el análisis de la microestructura, la obtención de las propiedades mecánicas (módulo de elasticidad, dureza, resistencia a la flexión y tenacidad de fractura) así como de las tensiones residuales. En combinación con otros métodos de medida tradicionales, la nanoindentación también se empleó como una técnica adicional para la medida del módulo de elasticidad y de la dureza. Por otro lado, diferentes técnicas de difracción con neutrones, tanto las basadas en longitud de onda constante (CW) como en tiempo de vuelo (TOF), han sido empleadas para la medición fiable de la deformación residual a través del grosor en muestras a granel. Las tensiones residuales fueron determinadas con elevada precisión, aplicando además métodos de análisis apropiados, como por ejemplo el refinamiento de Rietveld. Las diferentes fases en cerámicas sinterizadas, especialmente las de zirconia, se examinaron con detalle mediante el análisis de Rietveld, teniendo en cuenta el complicado polimorfismo del Óxido de Zirconio (ZrO2) así como las posibles transformaciones de fase durante el proceso de fabricación. Los efectos del contenido de Y-TZP en combinación con el nuevo método de procesamiento sobre la microestructura, el rendimiento mecánico y las tensiones residuales de los materiales estudiados (Al2O3/Y-TZP) se resumen en el presente trabajo. Finalmente, los mecanismos de endurecimiento, especialmente los relacionados con las tensiones residuales, son igualmente discutidos. In present work, Alumina/Y-TZP (tetragonal ZrO2 stabilized with 3 mol% Y2O3) materials, as an popular ceramic system with improved mechanical properties compared with the pure alumina ceramics, have been studied in terms of mechanical properties and residual stresses. The novel tape casting method, which involved the stacking of green ceramics tapes at room temperature and using low pressures, is selected for manufacturing and investigation, in order to take full advantage of the future development of alumina-zirconia laminated materials. Features of materials obtained by the new processing method are determined and compared with those of materials obtained by conventional slip casting in a plaster mold, in order to study whether the proposed method of processing affects microstructure and thereby the mechanical properties and residual stresses characteristics of materials. To analyse the adequacy of the manufacturing process used to avoid the presence of discontinuities at the interfaces between the sheets and other phenomena that interfere with the mechanical properties, ceramic materials with the same composition in tapes were investigated. Moreover, the effect of addition of zirconia on residual stress development of Al2O3/Y-TZP ceramics were taken into investigations, considering its significantly influence on the microstructure and mechanical properties of materials as well as the requirement of co-sintering of layers with different composites in laminated materials. The characterization includes density, microstructure, mechanical properties (elastic modulus, hardness, flexure strength and fracture toughness) and residual stresses. Except of the traditional measurement methods, nanoindentation technique was also used as an additional measurement of the elastic modulus and hardness. Neutron diffraction, both the constant-wavelength (CW) and time-of-flight (TOF) neutron diffraction techniques, has been used for reliable through-thickness residual strain measurement in bulk samples. Residual stresses were precisely determined combined with appropriate analysis methods, e.g. the Rietveld refinement. The phase compositions in sintered ceramics especially the ones of zirconia were accurately examined by Rietveld analysis, considering the complex polymorph of ZrO2 and the possible phase transformation during manufacturing process. Effects of Y-TZP content and the new processing method on the microstructure, mechanical performance and residual stresses were finally summarized in present studied Al2O3/Y-TZP materials. The toughening mechanisms, especially the residual stresses related toughening, were theoretically discussed.

Las casualidades controladas : la primera visibilidad del cambio del paradigma moderno

Como no pocos proyectos, el origen de esta tesis es fruto de una casualidad. Hace unos años me topé en Londres, en la librería Walden Books del 38 de Harmood St., con una primera edición de la conocida monografía de Mies a cargo de Philip Johnson. El librito, en realidad catálogo de la exposición que en 1947 el MoMA de Nueva York dedicara a la obra de Mies Van der Rohe a los diez años del desembarco del arquitecto en Estados Unidos, tiene un tamaño de 10 x 7,5 pulgadas, es decir, la mitad del formato americano Crown (20x15 pulgadas), equivalente a 508 x 381 mm. Se imprimieron, en su primera tirada, editada por The Plantin Press, 12.000 ejemplares. Ese mismo año, con edición al cuidado de Reynal y Hitchcock, se publicaría la primera traducción al inglés de Cuando las catedrales eran blancas de Le Corbusier y una selección de poemas de Lorca, siete años después de su Poeta en Nueva York. En la monografía, en la página 109, aparece el conocido croquis de Mies Sketch for a glass house on a hillside. c. 1934, escasamente unas líneas, aunque precisas y llenas de matices, de la casa en una ladera que rápidamente nos remite a aquella primera propuesta de Saarinen para una casa en el aire, primero en 1941 en Pensilvania y después, en 1945, con Charles Eames, en Los Angeles, que nunca llegarían a construirse, sino en su aliteraciones posteriores realizadas por Harry Seidler (Julian Rose House, Wahroonga, Sydney, 1949), Philip Johnson (Leonhardt house, Long Island, Nueva York, 1956) o Craig Ellwood (Smith House, Crestwood Hills, 1958; Frank & Polly Pierson House, Malibú, 1962; Chamorro House, Hollywood Hills, 1963, o la serie Weekend House, con Gerald Horn, entre 1964 y 1970, hasta el magnífico Art Center College of Design de Pasadera, su puente habitado de 1977). El relato que da origen al texto discurre en un estricto período de tiempo, desde los primeros dibujos de la Case Study House nº8, dentro del programa promovido por John Entenza y su revista Arts & Architecture en California, realizados en el estudio de Saarinen en Bloomfield Hills, Michigan, hasta que el proyecto de la casa Eames finaliza cinco años después de acabar la obra en 1955, en la versión conocida, radicalmente distinta al proyecto original, cuando la pareja Charles y Ray Eames edita el corto House After Five Years of Living. La discusión original en torno a esta casita, o mejor, a las circunstancias, casualidades controladas, que rodean su construcción, se produce estrictamente cuando rastreamos aquellos invariantes que se mantienen en las dos versiones y las reconcilian. En este corto período de tiempo se producen en el proyecto una serie de decisiones que permiten descubrir, tanto en la forma como en el mismo proceso transformador del proyecto, en su obsesivo registro, en los nuevos referentes asumidos y propuestos, la primera visibilidad del cambio del paradigma moderno. Pero este momento germinal que cristaliza el paso a la postmodernidad no es inédito en la historia de la arquitectura americana. Así, el relato abre su ámbito temporal hasta un nuevo período de cincuenta años que arranca en 1893, año de la celebración en Chicago de la Exposición Internacional Colombina. En la White City de Hunt & McKim y del traidor Burham, Louis Sullivan construye su Golden Doorway en el pabellón de los Transportes. Aquella que visitará Adolf Loos antes de volver, renovado, a Viena; la misma que admirará André Bouillet, representante de la Union Centrale des Arts Decoratifs de Paris, y que deslumbrará en los museos de toda Europa, de París a Moscú en grandes fotografías y maquetas. Hasta que en Finlandia alguien muestra una de esas fotografías a un joven estudiante de diecinueve años en el Instituto Politécnico. Eliel Saarinen queda fascinado por la poderosa novedad de la imagen. Cuelga la fotografía frente a su tablero de dibujo, consciente de que la Golden Doorway, esa puerta de la aventura y la catarsis que Sullivan acuñaría como distintivo y que resolvería como único elemento complejo sus proyectos más maduros, desprovistos de todo ornamento; la misma que repetirían más tarde, con profundo reconocimiento, Ladovsky, Wright, Scarpa o Moneo, puerta dentro de puerta, fuelle y umbral, contenía, en sus propias palabras emocionadas, todo el futuro de la arquitectura. Desde ahí, pasando por el año 1910, momento de la huida de Wright a La Toscana y el descubrimiento de su arquitectura en Europa, entre otros por un joven Mies van der Rohe, meritorio en el estudio de Peter Behrens, a través del Wasmuth Portfolio; y así como algo después, en 1914, Schindler y en 1923 Neutra, harán el camino inverso, hasta que Mies les siga en 1937, animado por un Philip Johnson que había viajado a Europa en 1930, volviendo a 1945 y el inicio del programa Case Study House en California, hasta 1949, momento de la construcción de la CSH#8, y, por fin, al año 1955, after 5 years of living, en el que Julius Shulman fotografía la casa de Ray y Charles Eames en el prado de Chautauqua sobre las Pacific Palisades de Los Angeles, lanzando sus finas líneas amarillas hasta Alison y Peter Smithson y su tardomoderno heroico, hasta el primer Foster y su poético hightech y hasta el O-riginal Ghery, deconstruyendo el espacio esencial de su casa desde el espacio mismo, abiertas ya las puertas al nuevo siglo. Y en estos cambios de paradigma, desde el rígido eclecticismo de los estilos al lirismo moderno en el gozne secular y de ahí a la frivolidad, ligereza, exhibicionismo y oportunismo cultos del hecho postmoderno, hay algo que se mantiene invariante en los bandazos de la relación del hombre contemporáneo con su entorno. Como la escultura, que según Barnett Newman no es sino aquello contra lo que uno choca cuando retrocede para mirar un cuadro, en estos prístinos lugares, comunes y corrientes, recorrido, puerta, umbral, recinto y vacío, te topas con la arquitectura antes de darte cuenta de que es arquitectura. ABSTRACT As with many other projects, the origin of this doctoral thesis is the result of a chance. A few years ago I found in a bookstore in London, 38 Harmood st., Walden Books, a first edition of the well-known monograph about Mies by Philip Johnson. The tiny book, in fact a catalog of the exhibition that the MoMA of New York devoted to the work of Mies van der Rohe in 1947, ten years after his landing in the United States, has a size of 10 x 7.5 inches, that is, half of Crown American format (20 x 15 inches), equivalent to 508 x 381 mm. In the first printing, published by The Plantin Press, 12,000 copies were released. That same year, produced by Reynal and Hitchcock, both the first English translation of When the cathedrals were white by Le Corbusier and a selection of poems by Lorca were published, seven years after his Poet in New York. Inside the book, the famous drawing from Mies Sketch for a glass house on a hillside c. 1934 appears on page 109, barely a few lines, precise and nuanced though, the house on a hillside that quickly reminds us of the proposals of Eero Saarinen for a house in the air, first in 1941, in Pennsylvania, and later, in 1945, with Charles Eames, in Los Angeles, that would never be built, but in their later alliterations made by Harry Seidler (Julian Rose House, Wahroonga, Sydney, 1949), Philip Johnson (Leonhardt house, Long Island, New York, 1956) or Craig Ellwood (Smith House, Crestwood Hills, 1958; Frank Pierson & Polly House, Malibu, 1962, Chamorro House, Hollywood Hills, 1963, or the Weekend House series, with Gerald Horn, between 1964 and 1970, to the magnificent Art Center College of Design Pasadena, the inhabited bridge, in 1977). The story that gives rise to the text flows in a short amount of time, from the first drawings of the Case Study House No. 8, within the program promoted by John Entenza and his magazine Arts & Architecture in California, made in the study of Saarinen in Bloomfield Hills, Michigan, until the project of the Eames house is completed five years after finishing the construction in 1955, in the final version we know, radically different from the initial state, when the couple, Charles and Ray, published the film House after Five Years of Living. The original discussion around this house, or better, about the circumstances, controlled coincidences, regarding its construction, appears when one takes account of those that remain, the invariants, in the two versions, drawn and built, which precisely allow the reconciliation between both projects. In this short period of time a series of decisions made in the transformation process of the project reveal, in the obsessive record made by Charles Eames and in the new proposed references, the first visibility of the changing of the modern paradigm. But this germinal moment that crystallizes the transition to postmodernism is not unprecedented in the history of American architecture. So, the story opens its temporal scope to a fifty-year period that started in 1893, date of the celebration of the Chicago World´s Columbian Exposition. In the White City by Hunt & McKim and Burnham, the traitor, Louis Sullivan builds his Golden Doorway in the Transportation Building. That visited by a renovated Adolf Loos before his coming back to Vienna; the same that André Bouillet, Head of the Union Centrale des Arts Decoratifs in Paris, admired and dazzled in museums all over Europe, from Paris to Moscow, in large photographs and models. Until someone in Finland showed one of those photos to a young nineteen-years-old student at the Polytechnic Institute. Eliel Saarinen became fascinated by the powerful new image: he hanged the picture in front of his drawing board, aware that the Golden Doorway, that door of adventure and catharsis Sullivan coined as distinctive and as a single complex element which would solve their most mature projects, devoid of all ornament; the same that would repeat later, with deep appreciation, Ladovsky, Wright, Scarpa, or Moneo, a door inside a door, a threshold, a gap that contained, in its own moving words, the whole future of architecture. From there, through 1910, when Wright's flight to Tuscany allows Europe to discover his architecture, including a young Mies van der Rohe, meritorious in the studio of Peter Behrens, via the Wasmuth Portfolio; and as a little bit later, in 1914, Schindler and Neutra in 1923, made the travel in opposite direction, until Mies follows them in 1937, led by a Philip Johnson who had traveled to Europe in 1930, we return to 1945 and the beginning of the program Case Study House in California, and from 1949, when construction of the CSH # 8 begins, and finally, to 1955, after five years of living, when Julius Shulman photographs the inside of the house with Ray and Charles Eames, and all their belongins, at the Chautauqua meadows on Pacific Palisades in Los Angeles, launching its fine yellow lines to Alison and Peter Smithson and his heroic late modern, up to the first Foster and his poetic hightech and even the O-riginal Gehry, deconstructing the essential space of his home from the space itself, opening the doors to the new century. And these paradigm shifts, from the hard eclectic styles to modern secular lyricism in the hinge and then overcoming the cultured frivolity, lightness, exhibitionism, and opportunism of the postmodern skeptical focus, something remains intense, invariant in the lurching relationship of contemporary man and his environment. As the sculpture, which according to Barnett Newman is what you bump into when you back up to see a painting, in these pristine, ordinary places, promenade, door, threshold, enclosure and emptiness, you stumble upon the architecture even before realizing that it is architecture.