Analysis of the problems associated with dynamic interaction between train, track and structure at transition zones

El gran desarrollo experimentado por la alta velocidad en los principales países de la Unión Europea, en los últimos 30 años, hace que este campo haya sido y aún sea uno de los principales referentes en lo que a investigación se refiere. Por otra parte, la aparición del concepto super − alta velocidad hace que la investigación en el campo de la ingeniería ferroviaria siga adquiriendo importancia en los principales centros de investigación de los países en los que se desea implantar este modo de transporte, o en los que habiendo sido ya implantado, se pretenda mejorar. Las premisas de eficacia, eficiencia, seguridad y confort, que este medio de transporte tiene como razón de ser pueden verse comprometidas por diversos factores. Las zonas de transición, definidas en la ingeniería ferroviaria como aquellas secciones en las que se produce un cambio en las condiciones de soporte de la vía, pueden afectar al normal comportamiento para el que fue diseñada la infraestructura, comprometiendo seriamente los estándares de eficiencia en el tiempo de viaje, confort de los pasajeros y aumentando considerablemente los costes de mantenimiento de la vía, si no se toman las medidas oportunas. En esta tesis se realiza un estudio detallado de la zonas de transición, concretamente de aquellas en las que existe una cambio en la rigidez vertical de la vía debido a la presencia de un marco hidráulico. Para realizar dicho estudio se lleva a cabo un análisis numérico de interacción entre el vehículo y la estructura, con un modelo bidimensional de elemento finitos, calibrado experimentalmente, en estado de tensión plana. En este análisis se tiene en cuenta el efecto de las irregularidades de la vía y el comportamiento mecánico de la interfaz suelo-estructura, con el objetivo de reproducir de la forma más real posible el efecto de interacción entre el vehículo, la vía y la estructura. Otros efectos como la influencia de la velocidad del tren y los asientos diferenciales, debidos a deformaciones por consolidación de los terraplenes a ambos lados el marco hidráulico, son también analizados en este trabajo. En esta tesis, los cálculos de interacción se han llevado a cabo en dos fases diferentes. En la primera, se ha considerado una interacción sencilla debida al paso de un bogie de un tren Eurostar. Los cálculos derivados de esta fase se han denominado cálculos a corto plazo. En la segunda, se ha realizado un análisis considerando múltiples pasos de bogie del tren Eurostar, conformando un análisis de degradación en el que se tiene en cuenta, en cada ciclo, la deformación de la capa de balasto. Los cálculos derivados de esta fase, son denominados en el texto como cálculos a largo plazo. Los resultados analizados muestran que la utilización de los denominados elementos de contacto es fundamental cuando se desea estudiar la influencia de asientos diferenciales, especialmente en transiciones terraplén-estructura en las que la cuña de cimentación no llega hasta la base de cimentación de la estructura. Por otra parte, tener en cuenta los asientos del terraplén, es sumamente importante, cuando se desea realizar un análisis de degradación de la vía ya que su influencia en la interacción entre el vehículo y la vía es muy elevada, especialmente para valores altos de velocidad del tren. En cuanto a la influencia de las irregularidades de la vía, en los cálculos efectuados, se revela que su importancia es muy notable, siendo su influencia muy destacada cuanto mayor sea la velocidad del tren. En este punto cabe destacar la diferencia de resultados derivada de la consideración de perfiles de irregularidades de distinta naturaleza. Los resultados provenientes de considerar perfiles artificiales son en general muy elevados, siendo estos más apropiados para realizar estudios de otra índole, como por ejemplo de seguridad al descarrilamiento. Los resultados provenientes de perfiles reales, dados por diferentes Administradores ferroviarios, presentan resultados menos elevados y más propios del problema analizar. Su influencia en la interacción dinámica entre el vehículo y la vía es muy importante, especialmente para velocidades elevadas del tren. Además el fenómeno de degradación conocido como danza de traviesas, asociado a zonas de transición, es muy susceptible a la consideración de irregularidades de la vía, tal y como se desprende de los cálculos efectuados a largo plazo. The major development experienced by high speed in the main countries of the European Union, in the last 30 years, makes railway research one of the main references in the research field. It should also be mentioned that the emergence of the concept superhigh − speed makes research in the field of Railway Engineering continues to gain importance in major research centers in the countries in which this mode of transportation is already implemented or planned to be implemented. The characteristics that this transport has as rationale such as: effectiveness, efficiency, safety and comfort, may be compromised by several factors. The transition zones are defined in railway engineering as a region in which there is an abrupt change of track stiffness. This stiffness variation can affect the normal behavior for which the infrastructure has been designed, seriously compromising efficiency standards in the travel time, passenger comfort and significantly increasing the costs of track maintenance, if appropriate measures are not taken. In this thesis a detailed study of the transition zones has been performed, particularly of those in which there is a change in vertical stiffness of the track due to the presence of a reinforced concrete culvert. To perform such a study a numerical interaction analysis between the vehicle, the track and the structure has been developed. With this purpose a two-dimensional finite element model, experimentally calibrated, in a state of plane stress, has been used. The implemented numerical models have considered the effects of track irregularities and mechanical behavior of soil-structure interface, with the objective of reproducing as accurately as possible the dynamic interaction between the vehicle the track and the structure. Other effects such as the influence of train speed and differential settlement, due to secondary consolidation of the embankments on both sides of culvert, have also been analyzed. In this work, the interaction analysis has been carried out in two different phases. In the first part a simple interaction due to the passage of a bogie of a Eurostar train has been considered. Calculations derived from this phase have been named short-term analysis. In the second part, a multi-load assessment considering an Eurostar train bogie moving along the transition zone, has been performed. The objective here is to simulate a degradation process in which vertical deformation of the ballast layer was considered. Calculations derived from this phase have been named long-term analysis. The analyzed results show that the use of so-called contact elements is essential when one wants to analyze the influence of differential settlements, especially in embankment-structure transitions in which the wedge-shaped backfill does not reach the foundation base of the structure. Moreover, considering embankment settlement is extremely important when it is desired to perform an analysis of track degradation. In these cases the influence on the interaction behaviour between the vehicle and the track is very high, especially for higher values of speed train. Regarding the influence of the track irregularities, this study has proven that the track’s dynamic response is heavily influenced by the irregularity profile and that this influence is more important for higher train velocities. It should also be noted that the difference in results derived from consideration of irregularities profiles of different nature. The results coming from artificial profiles are generally very high, these might be more appropriate in order to study other effects, such as derailment safety. Results from real profiles, given by the monitoring works of different rail Managers, are softer and they fit better to the context of this thesis. The influence of irregularity profiles on the dynamic interaction between the train and the track is very important, especially for high-speeds of the train. Furthermore, the degradation phenomenon known as hanging sleepers, associated with transition zones, is very susceptible to the consideration of track irregularities, as it can be concluded from the long-term analysis.

Revisión de la norma sismorresistente PDS-1. Sugerencias de algunas posibles modificaciones

Las mayores dificultades que aparecen en una futura reedición de la Norma Sismorresistente son probablemente las derivadas de una carencia casi absoluta de datos básicos recogidos en el territorio nacional, y en particular los referentes a registros de acelerogramas acaecidos en los últimos años. Por otra parte, si bien la información histórica de los seísmos descritos en términos cualitativos - intensidades- es suficientemente extensa, no existe hasta la fecha un mapa adecuado de riesgo sísmico que comprenda todo el país. La incertidumbre representada por las anteriores limitaciones debe de ser subsanada en la redacción de una nueva norma, mediante un enérgico programa de trabajo, que incluya como objetivo prioritario, la aportación de los anteriores datos básicos referidos a España. Esta nota hace referencia, de un modo específico, a los criterios que deberían ser considerados en la modificación del espectro básico de respuesta al tener en cuenta la influencia del terreno bajo la cimentación (amplificación del suelo). Aquí no se incluyen los efectos del tipo de cimentación, que deberían ser considerados de un modo separado así como la interacción dinámica suelo-estructura, que constituye una situación más compleja y cuyo estudio exige al menos el conocimiento de la amplificación del suelo y que se suele llevar a cabo en el caso de estructuras importantes (centrales nucleares, presas de tierra, etc.) que no deben ser objetivo prioritario de una norma sismorresistente de aplicación más general a edificación normal

Modelación numérica de deslizamientos de ladera en embalses mediante el método de partículas y elementos finitos (PFEM)

Se presentan resultados obtenidos mediante la aplicación del MétododePartículasyElementosFinitos (PFEM) en la simulación dedeslizamientosdeladeraenembalses. Es un fenómeno complejo, por la interacción entre el material deslizado, la masa de agua del embalse, yel conjunto formado por el vaso y la presa. PFEM es un esquema numérico original con el que se ha afrontado con éxito la resolución de problemas de interacción fluido-estructura. Combina un enfoque Lagrangiano con la resolución de las ecuaciones deelementosfinitosmediante la generación de una malla, que se actualiza en cada paso de tiempo. Se presentan resultados de casos de validación en los que se han reproducido ensayos en laboratorio existentes en la bibliografía técnica. Se muestran también otros cálculos más complejos, sobre la cartografía a escala real de un embalse, donde se aprecia el fenómeno de generación de la ola, su propagación por el embalse y la afección a la presa. Por último, se ha modelado el deslizamiento ocurrido en 1958 en la bahía de Lituya (Alaska), enel que la caída de 90 millones de toneladas de roca produjo una ola que alcanzó una sobreelevación máxima de 524 m en la ladera opuesta. Los resultados permiten afirmar que PFEM puede ser una herramienta útil enel análisis de riesgos frente a este tipo de fenómenos, ofreciendo una buena aproximación de las afecciones potenciales

Efectos dinámicos aleatorios en túneles y obras subterráneas

La construcción de una obra subterránea con las características de un túnel o condución de cualquier tipo afecta las propiedades del medio en el que se realiza, poniendo de manifiesto un problema que sólo en épocas relativamente recientes ha recibido antención: la interacción terreno-estructura. Si en las construcciones exteriores (edificios, presas etc.) la importancia de la interacción sólo existe en los casos de grandes obras, aquí la cuestión se plantea como algo intrínseco a la naturaleza del problema. La inclusión de las características del terreno en el análisis dinámico no es un problema sencillo, debido tanto a las irregularidades geométricas posibles, como a la incertidumbre respecto a las propiedades mecánicas. Por si fuera poco la aleatoriedad de las solicitaciones que estudiamos; terremotos, explosiones etc. exige un tratamiento estadístico de los resultados que se obtengan. Aunque se han realizado intentos analíticos para la resolución del problema, tropiezan siempre con la dificultad de las drásticas simplificaciones que es preciso suponer para hacer tratable el problema; estas simplificaciones pueden falsear los resultados deseados. De hecho, el único medio de introducir las numerosas variantes que aparecen es recurrir a los métodos numéricos de discretización. En este estudio hemos tanteado dos posibilidades. Finalmente, el método de los elementos finitos (F.E.M.)aparece como el más adecuado por su versatilidad y rápidez. El análisis dinámico mediante elementos finitos presenta algunos problemas, relativos fundamentalmente al modelado del medio. En efecto, la discretización introduce problemas al pretender simular la propagacíón de las ondas, y la presencia de contornos a distancia finita hace que se presenten problemas a menos que se dispongan medios como contornos absorbentes o cualquier otro procedimiento que elimine las reflexiones en los bordes. El problema es grave, pues se precisa disponer de un número muy grande de elementos lo que, limitado por la capacidad de la máquina, puede provocar una malla inadecuada para la representación de la estructura, siendo así que esta es nuestra preocupación básica. Por otro lado, si se utiliza la técnica modal, los dos o tres primeros modos del sistema global pueden no dar una representación apropiada del comportamiento de la estructura. El objetivo de este trabajo es la puesta a punto de un método que permita solventar estas dificultades y obtener la respuesta estructural con la precisión que se desee. Dado el carácter aleatorio de la solicitacion se ha dado un paso más y lo que se ha finalizado es con un estudio estadístico de la respuesta.

Análisis del comportamiento dinámico de un viaducto ferroviario sobre el Caño el Águila, situado en la línea de alta velocidad Sevilla-Cádiz

En este proyecto se realizará un análisis del comportamiento dinámico de un viaducto hiperestático, situado en la línea de alta velocidad Sevilla-Cádiz. Para ello se realizará un modelo de elementos finitos a partir de los datos de proyecto y de los resultados de la prueba de carga. En el trabajo se analizarán los modos de oscilación y frecuencias propias, se reproducirán los resultados de la prueba de carga del viaducto, se verificarán los requisitos dinámicos establecidos en la IAPF-2007, se analizará el comportamiento dinámico del viaducto sometido a modelos de carga que consideran la interacción vehículo estructura.

Efectos dinámicos aleatorios en túneles

Se presenta un procedimiento para el estudio de los efectos dinámicos en revestimentos de túneles sometidos a terremotos. La interacción terreno-estructura se plantea en el dominio de la frecuencia mediante el uso de la F.F.T. y la definición de una matriz de rigidez dinámica del terreno. La solicitación es un conjunto de terremotos simulados en ordenador. Se plantea una solución aproximada mediante el uso de los modos de un sistema asociado.

Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills

En la actualidad existe un gran conocimiento en la caracterización de rellenos hidráulicos, tanto en su caracterización estática, como dinámica. Sin embargo, son escasos en la literatura estudios más generales y globales de estos materiales, muy relacionados con sus usos y principales problemáticas en obras portuarias y mineras. Los procedimientos semi‐empíricos para la evaluación del efecto silo en las celdas de cajones portuarios, así como para el potencial de licuefacción de estos suelos durantes cargas instantáneas y terremotos, se basan en estudios donde la influencia de los parámetros que los rigen no se conocen en gran medida, dando lugar a resultados con considerable dispersión. Este es el caso, por ejemplo, de los daños notificados por el grupo de investigación del Puerto de Barcelona, la rotura de los cajones portuarios en el Puerto de Barcelona en 2007. Por estos motivos y otros, se ha decidido desarrollar un análisis para la evaluación de estos problemas mediante la propuesta de una metodología teórico‐numérica y empírica. El enfoque teórico‐numérico desarrollado en el presente estudio se centra en la determinación del marco teórico y las herramientas numéricas capaces de solventar los retos que presentan estos problemas. La complejidad del problema procede de varios aspectos fundamentales: el comportamiento no lineal de los suelos poco confinados o flojos en procesos de consolidación por preso propio; su alto potencial de licuefacción; la caracterización hidromecánica de los contactos entre estructuras y suelo (camino preferencial para el flujo de agua y consolidación lateral); el punto de partida de los problemas con un estado de tensiones efectivas prácticamente nulo. En cuanto al enfoque experimental, se ha propuesto una metodología de laboratorio muy sencilla para la caracterización hidromecánica del suelo y las interfaces, sin la necesidad de usar complejos aparatos de laboratorio o procedimientos excesivamente complicados. Este trabajo incluye por tanto un breve repaso a los aspectos relacionados con la ejecución de los rellenos hidráulicos, sus usos principales y los fenómenos relacionados, con el fin de establecer un punto de partida para el presente estudio. Este repaso abarca desde la evolución de las ecuaciones de consolidación tradicionales (Terzaghi, 1943), (Gibson, English & Hussey, 1967) y las metodologías de cálculo (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) hasta las contribuciones en relación al efecto silo (Ranssen, 1985) (Ravenet, 1977) y sobre el fenómeno de la licuefacción (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). Con motivo de este estudio se ha desarrollado exclusivamente un código basado en el método de los elementos finitos (MEF) empleando el programa MATLAB. Para ello, se ha esablecido un marco teórico (Biot, 1941) (Zienkiewicz & Shiomi, 1984) (Segura & Caron, 2004) y numérico (Zienkiewicz & Taylor, 1989) (Huerta & Rodríguez, 1992) (Segura & Carol, 2008) para resolver problemas de consolidación multidimensional con condiciones de contorno friccionales, y los correspondientes modelos constitutivos (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fiu & Liu, 2011). Asimismo, se ha desarrollado una metodología experimental a través de una serie de ensayos de laboratorio para la calibración de los modelos constitutivos y de la caracterización de parámetros índice y de flujo (Castro, 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies, 2006). Para ello se han empleado arenas de Hostun como material (relleno hidráulico) de referencia. Como principal aportación se incluyen una serie de nuevos ensayos de corte directo para la caracterización hidromecánica de la interfaz suelo – estructura de hormigón, para diferentes tipos de encofrados y rugosidades. Finalmente, se han diseñado una serie de algoritmos específicos para la resolución del set de ecuaciones diferenciales de gobierno que definen este problema. Estos algoritmos son de gran importancia en este problema para tratar el procesamiento transitorio de la consolidación de los rellenos hidráulicos, y de otros efectos relacionados con su implementación en celdas de cajones, como el efecto silo y la licuefacciones autoinducida. Para ello, se ha establecido un modelo 2D axisimétrico, con formulación acoplada u‐p para elementos continuos y elementos interfaz (de espesor cero), que tratan de simular las condiciones de estos rellenos hidráulicos cuando se colocan en las celdas portuarias. Este caso de estudio hace referencia clara a materiales granulares en estado inicial muy suelto y con escasas tensiones efectivas, es decir, con prácticamente todas las sobrepresiones ocasionadas por el proceso de autoconsolidación (por peso propio). Por todo ello se requiere de algoritmos numéricos específicos, así como de modelos constitutivos particulares, para los elementos del continuo y para los elementos interfaz. En el caso de la simulación de diferentes procedimientos de puesta en obra de los rellenos se ha requerido la modificacion de los algoritmos empleados para poder así representar numéricamente la puesta en obra de estos materiales, además de poder realizar una comparativa de los resultados para los distintos procedimientos. La constante actualización de los parámetros del suelo, hace también de este algoritmo una potente herramienta que permite establecer un interesante juego de perfiles de variables, tales como la densidad, el índice de huecos, la fracción de sólidos, el exceso de presiones, y tensiones y deformaciones. En definitiva, el modelo otorga un mejor entendimiento del efecto silo, término comúnmente usado para definir el fenómeno transitorio del gradiente de presiones laterales en las estructuras de contención en forma de silo. Finalmente se incluyen una serie de comparativas entre los resultados del modelo y de diferentes estudios de la literatura técnica, tanto para el fenómeno de las consolidaciones por preso propio (Fredlund, Donaldson & Gitirana, 2009) como para el estudio del efecto silo (Puertos del Estado, 2006, EuroCódigo (2006), Japan Tech, Stands. (2009), etc.). Para concluir, se propone el diseño de un prototipo de columna de decantación con paredes friccionales, como principal propuesta de futura línea de investigación. Wide research is nowadays available on the characterization of hydraulic fills in terms of either static or dynamic behavior. However, reported comprehensive analyses of these soils when meant for port or mining works are scarce. Moreover, the semi‐empirical procedures for assessing the silo effect on cells in floating caissons, and the liquefaction potential of these soils during sudden loads or earthquakes are based on studies where the underlying influence parameters are not well known, yielding results with significant scatter. This is the case, for instance, of hazards reported by the Barcelona Liquefaction working group, with the failure of harbor walls in 2007. By virtue of this, a complex approach has been undertaken to evaluate the problem by a proposal of numerical and laboratory methodology. Within a theoretical and numerical scope, the study is focused on the numerical tools capable to face the different challenges of this problem. The complexity is manifold; the highly non‐linear behavior of consolidating soft soils; their potentially liquefactable nature, the significance of the hydromechanics of the soil‐structure contact, the discontinuities as preferential paths for water flow, setting “negligible” effective stresses as initial conditions. Within an experimental scope, a straightforward laboratory methodology is introduced for the hydromechanical characterization of the soil and the interface without the need of complex laboratory devices or cumbersome procedures. Therefore, this study includes a brief overview of the hydraulic filling execution, main uses (land reclamation, filled cells, tailing dams, etc.) and the underlying phenomena (self‐weight consolidation, silo effect, liquefaction, etc.). It comprises from the evolution of the traditional consolidation equations (Terzaghi, 1943), (Gibson, English, & Hussey, 1967) and solving methodologies (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) to the contributions in terms of silo effect (Ranssen, 1895) (Ravenet, 1977) and liquefaction phenomena (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). The novelty of the study lies on the development of a Finite Element Method (FEM) code, exclusively formulated for this problem. Subsequently, a theoretical (Biot, 1941) (Zienkiewicz and Shiomi, 1984) (Segura and Carol, 2004) and numerical approach (Zienkiewicz and Taylor, 1989) (Huerta, A. & Rodriguez, A., 1992) (Segura, J.M. & Carol, I., 2008) is introduced for multidimensional consolidation problems with frictional contacts and the corresponding constitutive models (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fu & Liu, 2011). An experimental methodology is presented for the laboratory test and material characterization (Castro 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies 2006) using Hostun sands as reference hydraulic fill. A series of singular interaction shear tests for the interface calibration is included. Finally, a specific model algorithm for the solution of the set of differential equations governing the problem is presented. The process of consolidation and settlements involves a comprehensive simulation of the transient process of decantation and the build‐up of the silo effect in cells and certain phenomena related to self‐compaction and liquefaction. For this, an implementation of a 2D axi‐syimmetric coupled model with continuum and interface elements, aimed at simulating conditions and self‐weight consolidation of hydraulic fills once placed into floating caisson cells or close to retaining structures. This basically concerns a loose granular soil with a negligible initial effective stress level at the onset of the process. The implementation requires a specific numerical algorithm as well as specific constitutive models for both the continuum and the interface elements. The simulation of implementation procedures for the fills has required the modification of the algorithm so that a numerical representation of these procedures is carried out. A comparison of the results for the different procedures is interesting for the global analysis. Furthermore, the continuous updating of the model provides an insightful logging of variable profiles such as density, void ratio and solid fraction profiles, total and excess pore pressure, stresses and strains. This will lead to a better understanding of complex phenomena such as the transient gradient in lateral pressures due to silo effect in saturated soils. Interesting model and literature comparisons for the self‐weight consolidation (Fredlund, Donaldson, & Gitirana, 2009) and the silo effect results (Puertos del Estado (2006), EuroCode (2006), Japan Tech, Stands. (2009)). This study closes with the design of a decantation column prototype with frictional walls as the main future line of research.

Experimental and statistical investigation of canonical problems in sloshing

En hidrodinámica, el fenómeno de Sloshing se puede definir como el movimiento de la superficie libre de un fluido dentro de un contenedor sometido a fuerzas y perturbaciones externas. El fluido en cuestión experimenta violentos movimientos con importantes deformaciones de su superficie libre. La dinámica del fluido puede llegar a generar cargas hidrodinámicas considerables las cuales pueden afectar la integridad estructural y/o comprometer la estabilidad del vehículo que transporta dicho contenedor. El fenómeno de Sloshing ha sido extensivamente investigado matemática, numérica y experimentalmente, siendo el enfoque experimental el más usado debido a la complejidad del problema, para el cual los modelos matemáticos y de simulación son aun incapaces de predecir con suficiente rapidez y precisión las cargas debidas a dicho fenómeno. El flujo generado por el Sloshing usualmente se caracteriza por la presencia de un fluido multifase (gas-liquido) y turbulencia. Reducir al máximo posible la complejidad del fenómeno de Sloshing sin perder la esencia del problema es el principal reto de esta tesis doctoral, donde un trabajo experimental enfocado en casos canónicos de Sloshing es presentado y documentado con el objetivo de aumentar la comprensión de dicho fenómeno y por tanto intentar proveer información valiosa para validaciones de códigos numéricos. El fenómeno de Sloshing juega un papel importante en la industria del transporte marítimo de gas licuado (LNG). El mercado de LNG en los últimos años ha reportado un crecimiento hasta tres veces mayor al de los mercados de petróleo y gas convencionales. Ingenieros en laboratorios de investigación e ingenieros adscritos a la industria del LNG trabajan continuamente buscando soluciones económicas y seguras para contener, transferir y transportar grandes volúmenes de LNG. Los buques transportadores de LNG (LNGC) han pasado de ser unos pocos buques con capacidad de 75000 m3 hace unos treinta años, a una amplia flota con una capacidad de 140000 m3 actualmente. En creciente número, hoy día se construyen buques con capacidades que oscilan entre 175000 m3 y 250000 m3. Recientemente un nuevo concepto de buque LNG ha salido al mercado y se le conoce como FLNG. Un FLNG es un buque de gran valor añadido que solventa los problemas de extracción, licuefacción y almacenamiento del LNG, ya que cuenta con equipos de extracción y licuefacción a bordo, eliminando por tanto las tareas de transvase de las estaciones de licuefacción en tierra hacia los buques LNGC. EL LNG por tanto puede ser transferido directamente desde el FLNG hacia los buques LNGC en mar abierto. Niveles de llenado intermedios en combinación con oleaje durante las operaciones de trasvase inducen movimientos en los buques que generan por tanto el fenómeno de Sloshing dentro de los tanques de los FLNG y los LNGC. El trabajo de esta tesis doctoral lidia con algunos de los problemas del Sloshing desde un punto de vista experimental y estadístico, para ello una serie de tareas, descritas a continuación, se han llevado a cabo : 1. Un dispositivo experimental de Sloshing ha sido configurado. Dicho dispositivo ha permitido ensayar secciones rectangulares de tanques LNGC a escala con movimientos angulares de un grado de libertad. El dispositivo experimental ha sido instrumentado para realizar mediciones de movimiento, presiones, vibraciones y temperatura, así como la grabación de imágenes y videos. 2. Los impactos de olas generadas dentro de una sección rectangular de un LNGC sujeto a movimientos regulares forzados han sido estudiados mediante la caracterización del fenómeno desde un punto de vista estadístico enfocado en la repetitividad y la ergodicidad del problema. 3. El estudio de los impactos provocados por movimientos regulares ha sido extendido a un escenario más realístico mediante el uso de movimientos irregulares forzados. 4. El acoplamiento del Sloshing generado por el fluido en movimiento dentro del tanque LNGC y la disipación de la energía mecánica de un sistema no forzado de un grado de libertad (movimiento angular) sujeto a una excitación externa ha sido investigado. 5. En la última sección de esta tesis doctoral, la interacción entre el Sloshing generado dentro en una sección rectangular de un tanque LNGC sujeto a una excitación regular y un cuerpo elástico solidario al tanque ha sido estudiado. Dicho estudio corresponde a un problema de interacción fluido-estructura. Abstract In hydrodynamics, we refer to sloshing as the motion of liquids in containers subjected to external forces with large free-surface deformations. The liquid motion dynamics can generate loads which may affect the structural integrity of the container and the stability of the vehicle that carries such container. The prediction of these dynamic loads is a major challenge for engineers around the world working on the design of both the container and the vehicle. The sloshing phenomenon has been extensively investigated mathematically, numerically and experimentally. The latter has been the most fruitful so far, due to the complexity of the problem, for which the numerical and mathematical models are still incapable of accurately predicting the sloshing loads. The sloshing flows are usually characterised by the presence of multiphase interaction and turbulence. Reducing as much as possible the complexity of the sloshing problem without losing its essence is the main challenge of this phd thesis, where experimental work on selected canonical cases are presented and documented in order to better understand the phenomenon and to serve, in some cases, as an useful information for numerical validations. Liquid sloshing plays a key roll in the liquified natural gas (LNG) maritime transportation. The LNG market growth is more than three times the rated growth of the oil and traditional gas markets. Engineers working in research laboratories and companies are continuously looking for efficient and safe ways for containing, transferring and transporting the liquified gas. LNG carrying vessels (LNGC) have evolved from a few 75000 m3 vessels thirty years ago to a huge fleet of ships with a capacity of 140000 m3 nowadays and increasing number of 175000 m3 and 250000 m3 units. The concept of FLNG (Floating Liquified Natural Gas) has appeared recently. A FLNG unit is a high value-added vessel which can solve the problems of production, treatment, liquefaction and storage of the LNG because the vessel is equipped with a extraction and liquefaction facility. The LNG is transferred from the FLNG to the LNGC in open sea. The combination of partial fillings and wave induced motions may generate sloshing flows inside both the LNGC and the FLNG tanks. This work has dealt with sloshing problems from a experimental and statistical point of view. A series of tasks have been carried out: 1. A sloshing rig has been set up. It allows for testing tanks with one degree of freedom angular motion. The rig has been instrumented to measure motions, pressure and conduct video and image recording. 2. Regular motion impacts inside a rectangular section LNGC tank model have been studied, with forced motion tests, in order to characterise the phenomenon from a statistical point of view by assessing the repeatability and practical ergodicity of the problem. 3. The regular motion analysis has been extended to an irregular motion framework in order to reproduce more realistic scenarios. 4. The coupled motion of a single degree of freedom angular motion system excited by an external moment and affected by the fluid moment and the mechanical energy dissipation induced by sloshing inside the tank has been investigated. 5. The last task of the thesis has been to conduct an experimental investigation focused on the strong interaction between a sloshing flow in a rectangular section of a LNGC tank subjected to regular excitation and an elastic body clamped to the tank. It is thus a fluid structure interaction problem.

Estudio del comportamiento dinámico de puentes de ferrocarril y desarrollo de métodos de cálculo simplificado

Durante los últimos años, y debido a la gran demanda del transporte por ferrocarril, se están construyendo nuevas líneas así como mejorando otras ya existentes, para poder dar cabida a trenes más veloces que hagan disminuir el tiempo del trayecto. Las estructuras para ferrocarril de alta velocidad están sometidas a acciones dinámicas elevadas, ya que al efecto clásico de la carga (aislada) móvil se viene a sumar la resonancia que se manifiesta para velocidades por encima de 220 km/h. Es por ello que, cuando se va construir una nueva estructura o reacondicionar una ya existente, sea necesario realizar un profundo análisis mediante técnicas numéricas de cálculo dinámico con modelos de elementos finitos o mediante modelos analíticos o semianalíticos. El hecho de analizar mediante técnicas complejas (como pueden ser modelos tridimensionales de elementos finitos) todas y cada una de las estructuras de una línea ya existente, puede acarrear un coste no asumible de tiempo y dinero. Así pues, mediante este trabajo, el autor ha desarrollado algoritmos computacionales para poder realizar un análisis preliminar mediante modelos más sencillos, y sesgar así el número de casos que requieren un análisis más complejo. En el presente documento se expone toda la base matemática necesaria para el desarrollo de dichos programas, como son la descomposición modal, las soluciones analíticas de la respuesta de una estructura hiperestática (puentes continuos y pórticos intraslacionales) ante cargas móviles o la interacción vehículo-estructura. Finalmente se muestran los resultados y conclusiones obtenidos de un análisis que se ha llevado a cabo con las herramientas computacionales desarrolladas, ya mencionadas anteriormente, en un total de 77 estructuras semienterradas reales situadas en la línea Madrid-Zaragoza.

Vortex-induced vibrations on bridges : the interaction mechanism in complex sections and a new proposed semi-empirical model

El presente trabajo de investigación se ocupa del estudio de las vibraciones verticales inducidas por vórtices (VIV) en aquellos puentes que, por sus características geométricas y propiedades dinámicas, muestran cierta sensibilidad este tipo de fenómeno aeroelástico. El objeto principal es el análisis del mecanismo de interacción viento-estructura sobre secciones no fuseladas de geometría simple, con objeto de realizar una adecuada caracterización del problema y poder abordar posteriormente el análisis de otras secciones de geometría más compleja, representativas de los principales elementos estructurales de los puentes, como arcos, tableros, torres y pilas. Este aspecto es fundamental durante la fase de diseño del puente, donde deberán tenerse en cuenta también una serie de detalles que pueden influir significativamente su sensibilidad ante problemas aerodinámicos, como la morfología y dimensiones principales de la sección transversal del tablero, la disposición de barreras de seguridad y barreras cortaviento, o las riostras que unen diferentes elementos estructurales. La configuración de dos elementos en tándem o la construcción de un puente en las inmediaciones de otro existente son otros aspectos a considerar respecto a la sensibilidad frente a efectos aeroelásticos. El estudio se ha llevado a cabo principalmente mediante la implementación de simulaciones numéricas que reproducen la interacción entre la corriente de aire y secciones representativas de modelos estructurales, a partir de un código CFD basado en el método de las partículas de vórtices (VPM), siguiendo por tanto un esquema Lagrangiano. Los resultados han sido validados con datos experimentales existentes, valores procedentes de ensayos en túnel de viento y registros reales a partir de diferentes casos de estudio: Alconétar (2006), Niterói (1980), Trans- Tokyo Bay (1995) y Volgogrado (2010). Finalmente, se propone un modelo semi-empírico para la estimación del rango de velocidades críticas y amplitudes de oscilación basado en la utilización de las derivadas de flameo de Scanlan, y la densidad espectral de las fuerzas aerodinámicas en el dominio de la frecuencia. The present research work concerns the study of vertical vortex-induced vibrations (VIV) in bridges which show certain sensitivity to this type of aeroelastic phenomenon. It focuses on the analysis of the wind-structure interaction mechanism on bluff sections, with the objective of making a good characterisation of the problem and subsequently addressing the analysis of sections with a complex geometry, which are representative of the bridge structural elements, such as arches, decks, towers and piers. This issue is of relative importance during the bridge design phase, since minor details of the aforementioned elements can significantly influence its sensitivity to aerodynamic problems. The shape and main dimensions of the deck cross section, the addition of safety barriers and windshields, the presence of braces to enhance the structure mechanical properties, the utilisation of cross sections in tandem arrangement, or the erection of a new bridge in the vicinity of another existing one are some of the aspects to be considered regarding the sensitivity to the aeroelastic effects. The study has been carried out mainly through the implementation of numerical simulations that reproduces the interaction between the airflow and the representative cross section of a structural bridge model, by the use of a CFD code based on the vortex particle method (VPM), thus following a Lagrangian scheme. The results have been validated with existing experimental data, values from wind tunnel tests and full scale observations from the different case studies: Alconétar (2006), Niterói (1980), Trans-Tokyo Bay (1995) and Volgograd (2010). Finally, a new semi-empirical model is proposed for the estimation of the critical wind velocity ranges and oscillation amplitudes based on the use of the Scanlan’s flutter derivatives and the power spectral density of aerodynamic force time history in the frequency domain.

A time-domain finite element method for seakeeping and wave resistance problems

El objetivo de la tesis es la investigación de algoritmos numéricos para el desarrollo de herramientas numéricas para la simulación de problemas tanto de comportamiento en la mar como de resistencia al avance de buques y estructuras flotantes. La primera herramienta desarrollada resuelve el problema de difracción y radiación de olas. Se basan en el método de los elementos finitos (MEF) para la resolución de la ecuación de Laplace, así como en esquemas basados en MEF, integración a lo largo de líneas de corriente, y en diferencias finitas desarrollados para la condición de superficie libre. Se han desarrollado herramientas numéricas para la resolución de la dinámica de sólido rígido en sistemas multicuerpos con ligaduras. Estas herramientas han sido integradas junto con la herramienta de resolución de olas difractadas y radiadas para la resolución de problemas de interacción de cuerpos con olas. También se han diseñado algoritmos de acoplamientos con otras herramientas numéricas para la resolución de problemas multifísica. En particular, se han realizado acoplamientos con una herramienta numérica basada de cálculo de estructuras con MEF para problemas de interacción fluido-estructura, otra de cálculo de líneas de fondeo, y con una herramienta numérica de cálculo de flujos en tanques internos para problemas acoplados de comportamiento en la mar con “sloshing”. Se han realizado simulaciones numéricas para la validación y verificación de los algoritmos desarrollados, así como para el análisis de diferentes casos de estudio con aplicaciones diversas en los campos de la ingeniería naval, oceánica, y energías renovables marinas. ABSTRACT The objective of this thesis is the research on numerical algorithms to develop numerical tools to simulate seakeeping problems as well as wave resistance problems of ships and floating structures. The first tool developed is a wave diffraction-radiation solver. It is based on the finite element method (FEM) in order to solve the Laplace equation, as well as numerical schemes based on FEM, streamline integration, and finite difference method tailored for solving the free surface boundary condition. It has been developed numerical tools to solve solid body dynamics of multibody systems with body links across them. This tool has been integrated with the wave diffraction-radiation solver to solve wave-body interaction problems. Also it has been tailored coupling algorithms with other numerical tools in order to solve multi-physics problems. In particular, it has been performed coupling with a MEF structural solver to solve fluid-structure interaction problems, with a mooring solver, and with a solver capable of simulating internal flows in tanks to solve couple seakeeping-sloshing problems. Numerical simulations have been carried out to validate and verify the developed algorithms, as well as to analyze case studies in the areas of marine engineering, offshore engineering, and offshore renewable energy.

Estructura y funcionamiento de ecosistemas secos del Sur de Ecuador.

En la actualidad, los bosques secos neotropicales se encuentran restringidos a una pequeña fracción de su área de distribución histórica, debido principalmente a la acelerada pérdida de cobertura vegetal. Es por esta razón que son reconocidos como uno de los ecosistemas más amenazados del mundo. Durante las últimas décadas estos bosques han recibido mayor atención por parte de investigadores, y pese a que el esfuerzo dedicado al estudio y conocimiento de estos bosques no es comparable al de otros bosques de la región, especialmente los ligados a las pluviselvas húmedas, los trabajos llevados a cabo fundamentalmente por botánicos han permitido describir una buena parte de su diversidad florística en amplias regiones del neotrópico, constatar el elevado nivel de endemicidad de su flora y determinar algunos de los factores que determinan su estructura y funcionamiento. Sin embargo, aún existen regiones como la denominada Pacífico Ecuatorial donde la investigación ha sido escaza. El conocimiento de la diversidad biológica así como cuáles son los factores que controlan el funcionamiento y la estructuración de estos bosques resultan prioritarios para poder desarrollar acciones de conservación efectivas. El presente trabajo aporta a la comprensión del funcionamiento de dos sistemas secos tropicales de la región del Pacífico Ecuatorial el matorral seco y el bosque seco del sur del Ecuador. Se estableció una parcela de 9ha en bosque seco con el fin de evaluar asociaciones intraespecíficas e interespecíficas, se registró la diversidad y abundancia de todas las especies leñosas con un dap igual o superior a 5cm, además se obtuvo la ubicación espacial de cada individuo. Adicionalmente se realizaron 109 parcelas a lo largo de 4 de los cantones de la provincia de Loja que conservan en buen estado bosques secos. En el matorral seco se desarrollo un estudio observacional a lo largo de una gradiente estrés climático y dos niveles de manejo no disturbado y pastoreado. En cada nivel se colocaron 2 parcelas dentro de las cuales se registró la abundancia, diversidad y cobertura de todas las especies anuales. Además, se tomaron 9 muestras de suelo en cada parcela para evaluar el banco de semillas del suelo. Los resultados muestran que el bosque seco las relaciones positivas planta-planta juegan un papel fundamental en la estructura florística de las comunidades. Así se pudo observar que a escalas regionales la disponibilidad de agua tiene una relación inversa con la riqueza, encontrándose que áreas con menor disponibilidad de agua generan comunidades vegetales más diversas. Esta respuesta es coherente con la Hipótesis de la Gradiente de Estrés ya que el incremento de las relaciones de facilitación estaría incrementando la cantidad de especies que coexisten a nivel local. Por otro lado a escalas locales las especies de bosque seco tropical muestran un bajo grado de agrupamiento con sus congéneres, lo cual coincide con la propuesta de la “Dependencia Negativa de la Densidad” propuesta por Janzen – Connell. Esta respuesta contribuye al comportamiento acumulador de especies observado en el bosque seco, por lo observado en este trabajo a escalas locales las interacciones positivas planta-planta son predominantes. En el matorral seco montano los resultados muestran que la magnitud de los efectos de las especies ingenieras del ecosistema en la diversidad de especies y la productividad varían a lo largo de gradientes ambientales y a con la escala espacial de la comunidad. Así, en las zonas con mayor presión ambiental y una mayor presión de pastoreo, el efecto de las plantas ingenieras es mayor. Por otro lado, se pudo observar que la estabilidad de la diversidad en la escala de la comunidad parece ser la norma con efectos nulos de los factores de estrés en las propiedades de la comunidad. A nivel de microhábitat la importancia de la facilitación incrementa cuando los factores de estrés climático aumentan, y bajo las copas de Croton la diversidad y la cobertura es mayor que en el suelo desnudo, esta diferencia se incrementa con el estrés abiótico. Esta respuesta fue modulada por el pastoreo, en las zonas más altas con menor estrés climático, la facilitación se mantuvo debido a que la competencia se reduce por efecto del pastoreo, ya que las manchas se transforman refugios libres de herbivoría. Así, el estrés biótico por los consumidores altera significativamente la naturaleza y la fuerza de las interacciones entre especies en las comunidades, e incluso puede cambiar el signo de las interacciones entre especies. El banco de semillas muestra una importante interacción entre los factores de estrés, los efectos en el banco de semillas del suelo se explica mejor cuando los factores de estrés, tanto climáticos y el pastoreo son evaluados. En condiciones inalteradas la riqueza y abundancia del banco de semillas aumenta con la altitud y se reduce el estrés. Este patrón es modulado por el pastoreo, en el extremo inferior del gradiente altitudinal, el pastoreo produce un aumento en la riqueza y la densidad del banco de semillas y en el extremo superior del gradiente altitudinal el pastoreo reduce estos dos atributos.

Interacción dinámica terreno-estructura en estructuras off-shore

Dentro de los sistemas marinos, las plataformas off shore fijas tipo gravedad, presentan problemas en su proyecto de cimentación especialmente complicados y las técnicas que permiten salvarlos son de una sofisticación muy poco frecuente en otras especialidades de la ingeniería, con la posible excepción de la rama nuclear. En este artículo se trata el problema de la interacción dinámica terreno-estructura para zapatas rígidas circulares apoyadas en superficie sobre terreno estratificado, mediante el Método de los Elementos de Contorno.

Interacción dinámica vehículo-vía-estructura-cimiento en puentes de ferrocarril

Se presenta en este trabajo un programa de ordenador para la resolución del problema de interacción dinámica terreno-estructura-vehículo-cimiento en el caso particular de puentes de ferrocarril al paso de éste por aquel. El programa, escrito en FORTRAN V, se ha implementado en un ordenador UNIVAC 1108. El objetivo último del proyecto corresponde al establecimiento de una normativa adecuada referente a la rigidez de puentes de ferrocarril, en orden a limitar las vibraciones producidas en los elementos del vehículo (incluido el pasajero) y con ello incrementar la confortabilidad. Para ello, se prevé, en una segunda fase, un detallado estudio paramétrico de la influencia que sobre los aspectos anteriores tienen cada una de las variables que intervienen en el proceso. En el método de análisis, es de destacar el estudio del comportamiento del conjunto vía-balastro, en el que se incluyen, por ejemplo, sobre la propia deformación global inducida por los movimientos de las vigas del puente, el efecto de deformación local producido por el paso de las ruedas del vehículo. Asimismo lo es la completa modelización de los vehículos, vigas, soportes y terreno con una gran variedad de elementos particulares de comportamiento para la resolución de la mayoría de los problemas presentados.

El método de los elementos de contorno en los problemas de mecánica del suelo

La preparación de estas notas ha llevado, al más veterano de los autores, a rememorar sus primeros tanteos con los métodos numéricos. Tratando de desarrollar su tesis doctoral sobre efectos dinámicos en puentes de ferrocarril, descubrió, en 1968, en la biblioteca del Laboratorio de Transporte (donde el profesor ]iménez Salas era Director) las Actas de la reunión ASTM en las que Quilan y Sung proponían la asimilación del comportamiento dinámico del semiespacio elástico a un sistema con un grado de libertad. Además de incorporar estos resultados a un modelo de puente para tener en cuenta los fenómenos de interacción dinámica terreno-estructura dicho autor entró en contacto con algunos miembros del equipo de investigación del Prof. ]iménez Salas que, por entonces, estaba explorando la posibilidad de aplicación del ordenador y los métodos numéricos necesarios para tratar los problemas más difíciles de Mecánica de los Medios Continuos. De hecho fue ese grupo quien contribuyó a introducir en España el método de los elementos finitos en la ingeniería civil, pero además, y en relación directa con el título de este artículo fue el propio ]iménez Salas quién inició la línea de trabajo de lo que mas tarde se ha llamado Método Indirecto de Elementos de Contorno que luego fue seguida por otros miembros de su grupo. En aquélla época poco podía sospechar el autor precitado que iba a dedicar una parte sustancial de su vida al desarrollo de ese método numérico en su versión Directa y mucho menos que gran parte de la motivación vendría del problema de interacción dinámica terreno-estructura, una de cuyas primeras soluciones había obtenido en la mencionada visita al Laboratorio de Transporte. En efecto los autores trataban en 1975 de encontrar un procedimiento que les permitiera afrontar el estudio de la interacción en túneles sometidos a carga sísmica y tropezaron, al utilizar el método de elementos finitos, con el problema de las reflexiones de ondas en los contornos artificiales creados al truncar la malla de cálculo. Deseando evitar el uso contornos absorbentes y otros recursos similares se exploró la posibilidad de soluciones fundamentales que incorporasen el comportamiento en el infmito y, fruto de ello, fueron los primeros trabajos que introdujeron el Método Directo de los Elementos de Contorno en España en problemas estáticos. La extensión a teoría del potencial, dinámica en el dominio de la frecuencia, plasticidad, etc tuvo lugar inmediatamente siendo en la mayoría de los casos los problemas típicos de mecánica del suelo los que motivaron y justifican el esfuerzo realizado. Un campo apasionante, el de la poroelasticidad ha dado lugar a nuevas contribuciones y también se han escrito libros de diverso calado que describen las posibilidades del método para dar contestación a preguntas de gran importancia técnica. Los autores quieren poner de manifiesto que la redacción de este trabajo, debe considerarse no solo como la muestra de algunos resultados de aplicación a problemas prácticos, sino también como un homenaje y reconocimiento explícito a la labor precursora del Prof. ]iménez Salas y a su espíritu de permanente curiosidad por el conocimiento científico.