Modelos de elementos finitos con aplicación tridimensional de la analogía fluido-fibra, para predecir el comportamiento mecánico de piezas estructurales de madera bajo la presencia de los principales tipos de nudos

Los nudos son los defectos que más disminuyen la resistencia de piezas de madera en la escala estructural, al ocasionar no solo una discontinuidad material, sino también la desviación de las fibras que se encuentran a su alrededor. En la década de los 80 se introdujo la teoría de la analogía fluido-fibra, como un método que aproximaba adecuadamente todas estas desviaciones. Sin embargo en su aplicación tridimensional, nunca se consideraron las diferencias geométricas en el sentido perpendicular al eje longitudinal de las piezas estructurales, lo cual imposibilitaba la simulación numérica de algunos de los principales tipos de nudos, y disminuía la precisión obtenida en aquellos nudos en los que la modelización sí era viable. En este trabajo se propone un modelo programado en lenguaje paramétrico de un software de elementos finitos que, bajo una formulación en tres dimensiones más general, permitirá estudiar de forma automatizada el comportamiento estructural de la madera bajo la influencia de los principales tipos de nudos, a partir de la geometría visible de los mismos y la posición de la médula en la pieza, y el cual ha sido contrastado experimentalmente, simulando de forma muy precisa el comportamiento mecánico de vigas sometidas a ensayos de flexión a cuatro puntos. Knots are the defects that most reduce the strength of lumber at the structural level, by causing not only a material discontinuity but also the deviation of the fibers that surround them. In the 80's it was introduced the theory of the flow-grain analogy as a method to approximating adequately these deviations. However, in three-dimensional applications, geometrical differences in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the structural specimens were never considered before, which prevented the numerical simulation of some of the main types of knots, and decreased the achieved precision in those kind of knots where modeling itself was possible. This paper purposes a parametric model programmed in a finite element software, in the way that with a more general three-dimensional formulation, an automated study of the structural behavior of timber under the influence of the main types of knots is allowed by only knowing the visible geometry of such defects, and the position of the pith. Furthermore that has been confirmed experimentally obtaining very accurately simulations of the mechanical behavior of beams under four points bending test.

Ecuaciones de cubicación para el pino silvestre (Pinus sylvestris L.) en el monte Aguas Vertientes N.138 del C.U.P. en el municipio de El Espinar (Segovia).

La finalidad de este trabajo es proponer unas nuevas ecuaciones de cubicación, ya que los métodos utilizados por la Administración podrían estar anticuados. Con estas ecuaciones actualizadas se intentan paliar las diferencias entre Administración y aserradero. Desde hace unos 25 años la Administración de Segovia viene utilizando unos valores modulares para estimar el volumen en pié de los árboles del monte "Aguas Vertientes" Estos valores modulares son tablas en las que se da un volumen teórico para cada pié en cada uno de los rodales y según clases diamétricas de 5 cm. Estas tablas fueron calculadas hace tiempo, y, por lo tanto, sería recomendable realizar unas nuevas tarifas de cubicación. Los objetivos del presente trabajo, son, por tanto, construir una nueva tarifa de cubicación de una entrada V=f(dn) y una tabla de cubicación con dos entradas V=f(dn, H)

Aplicaciones estructurales de la guadua (Guadua angustifolia Kunth): Proyecto de estructura modular multifuncional en Colombia

La Guadua (Guadua angustifolia Kunth) es una de las especies forestales más características de Colombia. Perteneciente a la familia del bambú, ésta planta nativa de Colombia usada en la construcción permite una reducción de costos, garantizados, entre otras ventajas, por sus propiedades físico-mecánicas de flexibilidad, resistencia, dureza, efecto climatizado y sismo resistencia. En el proyecto se plantea inicialmente un estudio de la Guadua como material estructural. Se estudiará su anatomía, sus propiedades físicas y mecánicas así como la normativa existente que rige su uso en construcción y por último se darán algunos ejemplos en los que se puede comprobar su uso en la actualidad. Posteriormente se procederá al desarrollo del proyecto cuya finalidad es el diseño de una estructura modular multifuncional que se necesita para llevarla a cabo en un proyecto de cooperación localizado en Neiva (Colombia). El proyecto incluirá todos los documentos necesarios para un trabajo de estas características: memoria, pliego de condiciones técnicas, presupuesto, planos, así como el Estudio de Seguridad y Salud Laboral. Como solución a las necesidades planteadas en el proyecto de cooperación, se realizará el diseño de dos estructuras modulares cuya finalidad sea las de uso como oficina y como almacén. Se aplicará para su cálculo el CTE cómo normativa de construcción, pero apoyándose en algunos parámetros en la NSR-10, estableciendo una comparativa posterior entre ambas normativas. Debido a la importancia de la acción sísmica en Colombia se comprobará la resistencia sísmica del módulo diseñado según el “Manual de Construcción, evaluación y rehabilitación sismo resistente de viviendas de mampostería” creado por la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Basándose en este manual se definirán los tipos de uniones más favorables sísmicamente de los módulos con el diseño de una cercha auxiliar necesaria según el tipo de unión. ABSTRACT PROJECT: Structural applications of the guadua (Guadua angustifolia Kunth). Project of modular multifunctional structure in Colombia Guadua (Guadua angustifolia Kunth) is one of the forest species more characteristics of Colombia. Pertaining to the family of the bamboo, this one native plant of Colombia used in the construction allows a reduction of costs, guaranteed, among others advantages, by its physic mechanical properties of flexibility, resistance, hardness, climatic effect and earthquake resistance. The project initially considers a study of the Guadua as structural material. We will study its anatomy, its physical and mechanical properties as well as the existing norm that governs its use in construction and finally some examples will be provided in which its actual use can be verified. Later on, we will proceed with the development of the project which purpose is the design of a multifunctional modular structure required to in a project of cooperation located in Neiva (Colombia). The project will include all the necessary documents for a work of these characteristics: memory, technical specifications, budget, drawings, as well as the Security and Labor Health Study. In order to satisfy the needs raised in the cooperation project, we will undertake the design of two modular structures with the purpose to be used as office and warehouse. The construction normative CTE will be applied for its calculation, but some parameters will be based in the NSR-10, establishing a comparison between both norms. Due to the importance of the seismic action in Colombia, the seismic resistance of the module will be verified according to the “Manual of Construction, evaluation and rehabilitation resistant earthquake of rubblework houses” created by the Colombian Association of Seismic Engineering,. We will also use this Manual to define the types of unions more favorable from seismic point of view, designing the required auxiliary segments according to the type of union.

Verificación mecánica de reglas estructurales en bóvedas de planta poligonal centralizada del gótico tardío en España

Las reglas estructurales de construcción gótica son el principal tema objeto de estudio de esta Tesis Doctoral. Su posible contenido, significado, operatividad y aplicación efectiva de las mismas por parte de los maestros medievales en las grandes obras de arquitectura, son cuestiones tratadas. Diversos medios se utilizan para alcanzar el objetivo: comparativos, de relación contextual con otras fuentes y análisis fundamentado de reglas en la Primera Parte y mediante verificación o comprobación del cumplimiento de las fórmulas en las obras construidas en la Segunda Parte. Para este último estudio, se consideró imprescindible un análisis mecánico de ciertas estructuras de la etapa final: el tipo estructural elegido fue la bóveda de planta poligonal centralizada del Gótico Tardío en España. Las Conclusiones se centran en las reglas estructurales góticas y su capacidad para resolver problemas relacionados con la estática, la técnica ad quadratum, las pautas y estrategias estructurales que se repiten en las obras analizadas y el grado en que se atienen a las normas del cuerpo de conocimiento gótico conocido en la actualidad. La Bibliografía reune diversas referencias: Historia de la Ciencia, en especial de la estática: la ciencia medieval de los pesos, Historia de las Matemáticas medievales, técnica y tecnología, ediciones sobre reglas estructurales góticas, tratados y cuantos artículos y monografías sobre arquitectura Gótica se consideraron de interés.

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

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

Comportamiento de las fábricas no estructurales en el terremoto de Lorca

En lo que sigue se describen los efectos del terremoto del 11 de mayo de 2011 en las fachadas y particiones de los edificios de Lorca y se analiza la interacción entre estos elementos, tradicionalmente considerados como no-estructurales, y la propia estructura. Las observaciones de campo se justifican a partir de los resultados de algunos modelos numéricos simples y de todo ello se concluye la importancia fundamental de las fábricas en el comportamiento de los edificios durante el terremoto.

Gestión del riesgo de inundación del rio Valdemembra a su paso por Motilla del Palacar (Cuenca)

Este estudio está dedicado al tramo del río Valdemembra a su paso por Motilla del Palancar, el cual pertenece a la Confederación Hidrográfica del río Júcar (CHJ). A través de un estudio histórico, se determinará la magnitud de inundaciones pasadas, así como los puntos más propicios al desbordamiento, obteniendo la información de fuentes bibliográficas, pero sobre todo, de los testimonios de los vecinos de Motilla del Palancar. Posteriormente se realizará un estudio geomorfológico, que se podría dividir en dos fases. En la primera de ellas se determinará una aproximación de la extensión de la llanura de inundación, a través de la estratigrafía de la zona. El tercer y último estudio, sería el estudio hidráulico. En él, utilizando las ecuaciones fundamentales de la hidráulica, se calculará la mancha de inundación asociada a los períodos de retorrno de 10, 100 y 500 años, así como el Dominio Público Hidráulico, con la finalidad de poder elaborar posteriormente los mapas de peligrosidad de inundación, además de los mapas de riesgo de inundación. Para ello, utilizaremos dos software de cálculo hidráulico. El primero se conoce con el nombre de HecRas y realiza los cálculos de manera unidimensional, el segundo se llama Iber, este calcula flujos bidimensionales, por lo que ofrece resultados más precisos. Por último, realizaremos un Plan de Gestión del Riesgo de Inundación que permitirá disminuir los daños humanos y materiales ocasionados por las avenidas futuras,tomando las medidas estructurales o no estructurales necesarias.

Modelos de análisis econométrico espacial aplicados al desarrollo económico

Los modelos de desarrollo regional, rural y urbano arrancaron en la década de los 90 en Estados Unidos, modelando los factores relacionados con la economía que suministran información y conocimiento acerca de cómo los parámetros geográficos y otros externos influencian la economía regional. El desarrollo regional y en particular el rural han seguido diferentes caminos en Europa y España, adoptando como modelo los programas estructurales de la UE ligados a la PAC. El Programa para el Desarrollo Rural Sostenible, recientemente lanzado por el Gobierno de España (2010) no profundiza en los modelos económicos de esta economía y sus causas. Este estudio pretende encontrar pautas de comportamiento de las variables de la economía regional-rural, y como el efecto de distribución geográfica de la población condiciona la actividad económica. Para este propósito, y utilizando datos espaciales y económicos de las regiones, se implementaran modelos espaciales que permitan evaluar el comportamiento económico, y verificar hipótesis de trabajo sobre la geografía y la economía del territorio. Se utilizarán modelos de análisis espacial como el análisis exploratorio espacial y los modelos econométricos de ecuaciones simultáneas, y dentro de estas los modelos ampliamente utilizados en estudios regionales de Carlino-Mills- Boarnet. ABSTRACT The regional development models for rural and urban areas started in USA in the ´90s, modeling the economy and the factors involved to understand and collect the knowledge of how the external parameters influenced the regional economy. Regional development and in particular rural development has followed different paths in Europe and Spain, adopting structural programs defined in the EU Agriculture Common Policy. The program for Sustainable Rural Development recently implemented in Spain (2010) is short sighted considering the effects of the regional economy. This study endeavors to underline models of behavior for the rural and regional economy variables, and how the regional distribution of population conditions the economic activities. For that purpose using current spatial regional economic data, this study will implement spatial economic models to evaluate the behavior of the regional economy, including the evaluation of working hypothesis about geography and economy in the territory. The approach will use data analysis models, like exploratory spatial data analysis, and spatial econometric models, and in particular for its wide acceptance in regional analysis, the Carlino-Mills-Boarnet equations model.

Nueva formulación para la obtención de la energía cinética de la lluvia. Análisis comparativo con ecuaciones empíricas

El presente trabajo describe el estudio de la caracterización cuantitativa de una propiedad de la lluvia muy importante, la energía cinética, y es importante porque es la fuente de entrada de energía en los procesos de erosión hídrica y por tanto, de la pérdida de suelo que sufren nuestros campos.Este trabajo presenta un estudio de la relación existente entre la energía cinética de la lluvia y la intensidad de la lluvia con datos de lluvia registrados de forma automática con el disdrómetro de JOSS y WALDVOGEL (1967). Se ha obtenido una ecuación de regresión entre la energía cinética y la intensi- dad pero con algunas peculiaridades, ya que es una ecuación exponencial que introduce un valor máximo de energía cinética. Esta ecuación exponencial ha proporcionado resultados muy satisfacto- nos, presenta errores relativos bajos y además tiene un significado práctico y físico.Además se ha realizado un análisis comparativo entre los resultados obtenidos con esta ecuación exponencial y ecuaciones empíricas tradicionales en el cálculo de la energía cinética. El criterio de selección de las ecuaciones a comparar fue en primer lugar escoger aquellas ecuaciones que fuesen habituales en los estudios de erosión y también aquellas ecuaciones que por la localización donde fueron obtenidas pudiesen ser interesante para su comparación.Los resultados obtenidos de la comparación conducen a pensar que la relación entre la energía cinética y la intensidad no estaría influenciado por condiciones de localización. Se concluye tambien que el uso de la ecuación exponencial obtenida en este estudio resolvería algunos de los problemas que conlleva el uso de algunas de la ecuaciones empíricas.

Estudio de hormigones reciclados no estructurales fabricados con árido reciclado mixto : propiedades mecánicas y expansión debida al contenido de sulfatos

El objetivo principal de este trabajo de investigación es estudiar las posibilidades de utilización del árido reciclado mixto para un hormigón reciclado en aplicaciones no estructurales, justificando mediante la experimentación la validez para esta aplicación, tanto del árido reciclado como del hormigón reciclado. Esta tesis se centró en los aspectos más restrictivos y limitativos en la utilización de los áridos mixtos en hormigón reciclado, basándose tanto en la normativa internacional existente como en los resultados obtenidos en los estudios bibliográficos consultados. La primera tarea realizada fue la caracterización completa de las propiedades del árido reciclado mixto, recogiendo especialmente los siguientes aspectos: granulometría, contenido de finos, absorción y densidades, composición del árido reciclado, índice de lajas, coeficiente de Los Ángeles, partículas ligeras y contenido de sulfatos. De este estudio de los áridos reciclados, se han destacado relaciones entre las propiedades. Las diferentes correlaciones permiten proponer criterios de calidad de un árido reciclado mixto para un hormigón reciclado. Se ha elegido un árido reciclado mixto entre los estudiados, de características límite admisibles, para obtener resultados conservadores sobre el hormigón reciclado fabricado con él. En una segunda etapa, se ha realizado un estudio de dosificación completo del hormigón reciclado, evaluando la consistencia del hormigón en estado fresco y la resistencia a compresión del hormigón en estado endurecido y se ha comparado con las mismas propiedades de un hormigón convencional. Se ha analizado la capacidad de absorción del árido conseguida con los métodos de presaturación empleados y en función de su estado de humedad, para poder evaluar las relaciones agua/cemento totales y efectivas del hormigón. Se ha estudiado el efecto de estos dos parámetros tanto en la consistencia como en la resistencia del hormigón reciclado. Finalmente, se ha estudiado el hormigón fabricado con un 50% y 100% de una partida de árido reciclado mixto de calidad admisible y se han ensayado las siguientes propiedades: consistencia, resistencia a compresión, resistencia a tracción indirecta, módulo de elasticidad dinámico, cambios de longitud, porosidad abierta y microscopía. Para analizar el efecto de los sulfatos, se han añadido artificialmente cantidades de yeso controladas en el hormigón reciclado. Se fabricaron hormigones con dos tipos de cemento, un cemento CEM I 42,5 R con elevado contenido de C3A, que debería dar lugar a expansiones mayores y un cemento con adiciones puzolánicas CEM II A-P 42,5 R, que atenuaría el comportamiento expansivo en el hormigón. Los resultados finales indican que la utilización del árido reciclado mixto en proporciones de hasta un 50%, permiten cubrir la gama de resistencias más exigentes dentro del hormigón no estructural. El contenido de sulfatos puede variar desde un 0,8% hasta un 1,9%, según el tipo de cemento y la proporción de sustitución del árido natural por árido reciclado mixto. Tanto en el caso del árido reciclado como en el hormigón, se ha realizado un estudio comparativo entre el conjunto de datos recopilados en la bibliografía y los obtenidos en este estudio experimental. En varias propiedades del hormigón reciclado, se han comparado los resultados con las fórmulas de la Instrucción EHE-08, para establecer unos coeficientes de corrección a aplicar a un hormigón reciclado con fines no estructurales. The main objective of this investigation work is to study the possibilities of using recycled mixed aggregate for a recycled concrete in non structural applications, justifying by means of experimentation both the validity of the recycled aggregate and recycled concrete. This thesis focused on the most restrictive and limiting aspects in the mixed aggregate use in recycled concrete, on the basis of the international standards as well on the results obtained in the bibliographic studies consulted. The first task achieved was the complete charcaterization of the mixed recycled aggregate properties, specially the following aspects: grain size analysis, fines content, absorption and densities, recycled aggregate composition, flakiness index, Los Angeles coefficient, lightweight particles and sulphate content. From this study, correlations between the properties were highlighted. The different correlations make possible to propose quality criterions for recycled mixed aggregate in concrete. Among the recycled aggregates studied, one of acceptable characteristics but near the limits established, was chosen to obtain conservative results in the recycled concrete made with it. In a second step, a complete recycled concrete mix design was made, to evaluate concrete consistency in the fresh state and concrete compressive strength in the hardened state and its properties were compared to those of a control concrete. The aggregate absorption capacity was analized with the presaturation methods achieved and in function of its state of humidity, to evaluate the total and effective water/cement ratios. The effect of these two parameters, both in consistency and compressive strength of recycled concrete, was studied. Finally, the concrete made with 50% and 100% of the elected recycled mixed aggregate was studied and the following concrete properties were tested: consistency, compressive strength, tensile strength, dynamic modulus of elasticity, length changes, water absorption under vacuum and microscopy. To analize the effect of sulphate content, some controlled quantities of gypsum were artificially added to the recycled concrete. Concretes with two types of cement were made, a cement CEM I 42,5 R with a high content of C3A, that would lead to major expansions and a cement with puzzolanic additions CEM II A-P 42,5 R that would lower the expansive behaviour of concrete. The final results indicate that the use of mixed recycled aggregate in proportions up to 50% make possible to cover the overall demanding strengths within the non structural concrete. Sulphates content can range between 0,8% and 1,9%, in function of the type of cement and the proportion of natural aggregate replacement by mixed recycled one. Both in the case of recycled aggregate and concrete, a comparative study was made between the data coming from the bibliography and those obtained in the experimental study. In several recycled concrete properties, the results were compared to the formulas of Spanish Instruction of Structural Concrete (Instruction EHE-08), to establish some correction coefficients to apply for a non structural recycled concrete.

Simulación numérica de elementos estructurales de hormigón armado de alta resistencia sometidos a explosiones

En los últimos años ha crecido el interés por el uso del hormigón de alta resistencia en la construcción de estructuras resistentes a explosiones y de elementos de protección frente a impactos y explosiones. En el presente trabajo se analiza la capacidad de los modelos numéricos existentes a la hora de reproducir resultados experimentales obtenidos sobre hormigones de alta resistencia sometidos a cargas explosivas y cargas estáticas. Para ello se emplea una campaña experimental desarrollada por la Agencia de Defensa de Suecia sobre vigas de este material. Los resultados obtenidos demuestran la capacidad de las herramientas numéricas para reproducir adecuadamente el comportamiento del hormigón si bien, paradójicamente, proporcionan mejores resultados en régimen dinámico que en régimen estático. Las simulaciones numéricas, junto con el análisis de los resultados experimentales, permiten obtener conclusiones acerca del diferente comportamiento de los elementos estructurales sometidos a altas velocidades de deformación frente a su comportamiento en régimen estático.

Refuerzo de elementos estructurales con hormigones con fibras o sólo fibras

El mantenimiento, la reparación y refuerzo de estructuras se ha convertido ahora más que nunca en una realidad. Dichos trabajos requieren un conocimiento de las técnicas y de los productos para evitar que vuelvan a aparecer problemas en un futuro. En este trabajo se pretende analizar el comportamiento de elementos estructurales reforzados con hormigones con fibras y/o solo fibras, comparando y analizando el comportamiento de cada aplicación. Se han realizado pruebas de laboratorio para estudiar y describir el refuerzo con fibra de carbono en elementos estructurales. También se compara el comportamiento de las diferentes fibras utilizadas en el hormigón como refuerzo.

Generación y caracterización de microgrietas en materiales estructurales

En este trabajo, se estudia como generar de manera acelerada fenómenos expansivos en el interior de materiales cementicios compuestos considerando la posibilidad de utilizar como elementos de adicción tanto cenizas volantes como escorias. Se presentan resultados de la monitorización de estos procesos desde su etapa inicial y se caracterizan química, microestructural y cristalográficamente mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de electrones retrodispersados, energías dispersivas de rayos X y porosimetría de mercurio. Estos datos se complementan con valores de comportamiento mecánico de los materiales para determinar su funcionalidad. Como resultado de estos estudios, se propone un modelo de generación y progresión de microgrietas para cada uno de los procesos de alteración estudiado.

Simulación en tiempo real de vehículos industriales con modelos multicuerpo de gran complejidad

El objetivo de esta Tesis ha sido la consecución de simulaciones en tiempo real de vehículos industriales modelizados como sistemas multicuerpo complejos formados por sólidos rígidos. Para el desarrollo de un programa de simulación deben considerarse cuatro aspectos fundamentales: la modelización del sistema multicuerpo (tipos de coordenadas, pares ideales o impuestos mediante fuerzas), la formulación a utilizar para plantear las ecuaciones diferenciales del movimiento (coordenadas dependientes o independientes, métodos globales o topológicos, forma de imponer las ecuaciones de restricción), el método de integración numérica para resolver estas ecuaciones en el tiempo (integradores explícitos o implícitos) y finalmente los detalles de la implementación realizada (lenguaje de programación, librerías matemáticas, técnicas de paralelización). Estas cuatro etapas están interrelacionadas entre sí y todas han formado parte de este trabajo. Desde la generación de modelos de una furgoneta y de camión con semirremolque, el uso de tres formulaciones dinámicas diferentes, la integración de las ecuaciones diferenciales del movimiento mediante métodos explícitos e implícitos, hasta el uso de funciones BLAS, de técnicas de matrices sparse y la introducción de paralelización para utilizar los distintos núcleos del procesador. El trabajo presentado en esta Tesis ha sido organizado en 8 capítulos, dedicándose el primero de ellos a la Introducción. En el Capítulo 2 se presentan dos formulaciones semirrecursivas diferentes, de las cuales la primera está basada en una doble transformación de velocidades, obteniéndose las ecuaciones diferenciales del movimiento en función de las aceleraciones relativas independientes. La integración numérica de estas ecuaciones se ha realizado con el método de Runge-Kutta explícito de cuarto orden. La segunda formulación está basada en coordenadas relativas dependientes, imponiendo las restricciones por medio de penalizadores en posición y corrigiendo las velocidades y aceleraciones mediante métodos de proyección. En este segundo caso la integración de las ecuaciones del movimiento se ha llevado a cabo mediante el integrador implícito HHT (Hilber, Hughes and Taylor), perteneciente a la familia de integradores estructurales de Newmark. En el Capítulo 3 se introduce la tercera formulación utilizada en esta Tesis. En este caso las uniones entre los sólidos del sistema se ha realizado mediante uniones flexibles, lo que obliga a imponer los pares por medio de fuerzas. Este tipo de uniones impide trabajar con coordenadas relativas, por lo que la posición del sistema y el planteamiento de las ecuaciones del movimiento se ha realizado utilizando coordenadas Cartesianas y parámetros de Euler. En esta formulación global se introducen las restricciones mediante fuerzas (con un planteamiento similar al de los penalizadores) y la estabilización del proceso de integración numérica se realiza también mediante proyecciones de velocidades y aceleraciones. En el Capítulo 4 se presenta una revisión de las principales herramientas y estrategias utilizadas para aumentar la eficiencia de las implementaciones de los distintos algoritmos. En primer lugar se incluye una serie de consideraciones básicas para aumentar la eficiencia numérica de las implementaciones. A continuación se mencionan las principales características de los analizadores de códigos utilizados y también las librerías matemáticas utilizadas para resolver los problemas de álgebra lineal tanto con matrices densas como sparse. Por último se desarrolla con un cierto detalle el tema de la paralelización en los actuales procesadores de varios núcleos, describiendo para ello el patrón empleado y las características más importantes de las dos herramientas propuestas, OpenMP y las TBB de Intel. Hay que señalar que las características de los sistemas multicuerpo problemas de pequeño tamaño, frecuente uso de la recursividad, y repetición intensiva en el tiempo de los cálculos con fuerte dependencia de los resultados anteriores dificultan extraordinariamente el uso de técnicas de paralelización frente a otras áreas de la mecánica computacional, tales como por ejemplo el cálculo por elementos finitos. Basándose en los conceptos mencionados en el Capítulo 4, el Capítulo 5 está dividido en tres secciones, una para cada formulación propuesta en esta Tesis. En cada una de estas secciones se describen los detalles de cómo se han realizado las distintas implementaciones propuestas para cada algoritmo y qué herramientas se han utilizado para ello. En la primera sección se muestra el uso de librerías numéricas para matrices densas y sparse en la formulación topológica semirrecursiva basada en la doble transformación de velocidades. En la segunda se describe la utilización de paralelización mediante OpenMP y TBB en la formulación semirrecursiva con penalizadores y proyecciones. Por último, se describe el uso de técnicas de matrices sparse y paralelización en la formulación global con uniones flexibles y parámetros de Euler. El Capítulo 6 describe los resultados alcanzados mediante las formulaciones e implementaciones descritas previamente. Este capítulo comienza con una descripción de la modelización y topología de los dos vehículos estudiados. El primer modelo es un vehículo de dos ejes del tipo chasis-cabina o furgoneta, perteneciente a la gama de vehículos de carga medianos. El segundo es un vehículo de cinco ejes que responde al modelo de un camión o cabina con semirremolque, perteneciente a la categoría de vehículos industriales pesados. En este capítulo además se realiza un estudio comparativo entre las simulaciones de estos vehículos con cada una de las formulaciones utilizadas y se presentan de modo cuantitativo los efectos de las mejoras alcanzadas con las distintas estrategias propuestas en esta Tesis. Con objeto de extraer conclusiones más fácilmente y para evaluar de un modo más objetivo las mejoras introducidas en la Tesis, todos los resultados de este capítulo se han obtenido con el mismo computador, que era el top de la gama Intel Xeon en 2007, pero que hoy día está ya algo obsoleto. Por último los Capítulos 7 y 8 están dedicados a las conclusiones finales y las futuras líneas de investigación que pueden derivar del trabajo realizado en esta Tesis. Los objetivos de realizar simulaciones en tiempo real de vehículos industriales de gran complejidad han sido alcanzados con varias de las formulaciones e implementaciones desarrolladas. ABSTRACT The objective of this Dissertation has been the achievement of real time simulations of industrial vehicles modeled as complex multibody systems made up by rigid bodies. For the development of a simulation program, four main aspects must be considered: the modeling of the multibody system (types of coordinates, ideal joints or imposed by means of forces), the formulation to be used to set the differential equations of motion (dependent or independent coordinates, global or topological methods, ways to impose constraints equations), the method of numerical integration to solve these equations in time (explicit or implicit integrators) and the details of the implementation carried out (programming language, mathematical libraries, parallelization techniques). These four stages are interrelated and all of them are part of this work. They involve the generation of models for a van and a semitrailer truck, the use of three different dynamic formulations, the integration of differential equations of motion through explicit and implicit methods, the use of BLAS functions and sparse matrix techniques, and the introduction of parallelization to use the different processor cores. The work presented in this Dissertation has been structured in eight chapters, the first of them being the Introduction. In Chapter 2, two different semi-recursive formulations are shown, of which the first one is based on a double velocity transformation, thus getting the differential equations of motion as a function of the independent relative accelerations. The numerical integration of these equations has been made with the Runge-Kutta explicit method of fourth order. The second formulation is based on dependent relative coordinates, imposing the constraints by means of position penalty coefficients and correcting the velocities and accelerations by projection methods. In this second case, the integration of the motion equations has been carried out by means of the HHT implicit integrator (Hilber, Hughes and Taylor), which belongs to the Newmark structural integrators family. In Chapter 3, the third formulation used in this Dissertation is presented. In this case, the joints between the bodies of the system have been considered as flexible joints, with forces used to impose the joint conditions. This kind of union hinders to work with relative coordinates, so the position of the system bodies and the setting of the equations of motion have been carried out using Cartesian coordinates and Euler parameters. In this global formulation, constraints are introduced through forces (with a similar approach to the penalty coefficients) are presented. The stabilization of the numerical integration is carried out also by velocity and accelerations projections. In Chapter 4, a revision of the main computer tools and strategies used to increase the efficiency of the implementations of the algorithms is presented. First of all, some basic considerations to increase the numerical efficiency of the implementations are included. Then the main characteristics of the code’ analyzers used and also the mathematical libraries used to solve linear algebra problems (both with dense and sparse matrices) are mentioned. Finally, the topic of parallelization in current multicore processors is developed thoroughly. For that, the pattern used and the most important characteristics of the tools proposed, OpenMP and Intel TBB, are described. It needs to be highlighted that the characteristics of multibody systems small size problems, frequent recursion use and intensive repetition along the time of the calculation with high dependencies of the previous results complicate extraordinarily the use of parallelization techniques against other computational mechanics areas, as the finite elements computation. Based on the concepts mentioned in Chapter 4, Chapter 5 is divided into three sections, one for each formulation proposed in this Dissertation. In each one of these sections, the details of how these different proposed implementations have been made for each algorithm and which tools have been used are described. In the first section, it is shown the use of numerical libraries for dense and sparse matrices in the semirecursive topological formulation based in the double velocity transformation. In the second one, the use of parallelization by means OpenMP and TBB is depicted in the semi-recursive formulation with penalization and projections. Lastly, the use of sparse matrices and parallelization techniques is described in the global formulation with flexible joints and Euler parameters. Chapter 6 depicts the achieved results through the formulations and implementations previously described. This chapter starts with a description of the modeling and topology of the two vehicles studied. The first model is a two-axle chassis-cabin or van like vehicle, which belongs to the range of medium charge vehicles. The second one is a five-axle vehicle belonging to the truck or cabin semi-trailer model, belonging to the heavy industrial vehicles category. In this chapter, a comparative study is done between the simulations of these vehicles with each one of the formulations used and the improvements achieved are presented in a quantitative way with the different strategies proposed in this Dissertation. With the aim of deducing the conclusions more easily and to evaluate in a more objective way the improvements introduced in the Dissertation, all the results of this chapter have been obtained with the same computer, which was the top one among the Intel Xeon range in 2007, but which is rather obsolete today. Finally, Chapters 7 and 8 are dedicated to the final conclusions and the future research projects that can be derived from the work presented in this Dissertation. The objectives of doing real time simulations in high complex industrial vehicles have been achieved with the formulations and implementations developed.

Diseño y comportamiento de uniones estructurales mecánicas y adhesivas. Condiciones superficiales y operacionales

Las uniones estructurales mecánicas y adhesivas requieren la combinación de un número importante de parámetros para la obtención de la continuidad estructural que exigen las condiciones de diseño. Las características de las uniones presentan importantes variaciones, ligadas a las condiciones de ejecución, tanto en uniones mecánicas como especialmente en uniones adhesivas y mixtas (unión mecánica y adhesiva, también conocidas como uniones híbridas). Las propiedades mecánicas de las uniones adhesivas dependen de la naturaleza y propiedades de los adhesivos y también de muchos otros parámetros que influyen directamente en el comportamiento de estas uniones. Algunos de los parámetros más significativos son: el acabado superficial de los materiales, área y espesor de la capa adhesiva, diseño adecuado, secuencia de aplicación, propiedades químicas de la superficie y preparación de los sustratos antes de aplicar el adhesivo. Los mecanismos de adhesión son complejos. En general, cada unión adhesiva solo puede explicarse considerando la actuación conjunta de varios mecanismos de adhesión. No existen adhesivos universales para un determinado material o aplicación, por lo que cada pareja sustrato-adhesivo requiere un particular estudio y el comportamiento obtenido puede variar, significativamente, de uno a otro caso. El fallo de una junta adhesiva depende del mecanismo cohesión-adhesión, ligado a la secuencia y modo de ejecución de los parámetros operacionales utilizados en la unión. En aplicaciones estructurales existen un número muy elevado de sistemas de unión y de posibles sustratos. En este trabajo se han seleccionado cuatro adhesivos diferentes (cianoacrilato, epoxi, poliuretano y silano modificado) y dos procesos de unión mecánica (remachado y clinchado). Estas uniones se han aplicado sobre chapas de acero al carbono en diferentes estados superficiales (chapa blanca, galvanizada y prepintada). Los parámetros operacionales analizados han sido: preparación superficial, espesor del adhesivo, secuencia de aplicación y aplicación de presión durante el curado. Se han analizado tanto las uniones individuales como las uniones híbridas (unión adhesiva y unión mecánica). La combinación de procesos de unión, sustratos y parámetros operacionales ha dado lugar a la preparación y ensayo de más de mil muestras. Pues, debido a la dispersión de resultados característica de las uniones adhesivas, para cada condición analizada se han ensayado seis probetas. Los resultados obtenidos han sido: El espesor de adhesivo utilizado es una variable muy importante en los adhesivos flexibles, donde cuanto menor es el espesor del adhesivo mayor es la resistencia mecánica a cortadura de la unión. Sin embargo en los adhesivos rígidos su influencia es mucho menor. La naturaleza de la superficie es fundamental para una buena adherencia del adhesivo al substrato, que repercute en la resistencia mecánica de la unión. La superficie que mejor adherencia presenta es la prepintada, especialmente cuando existe una alta compatibilidad entre la pintura y el adhesivo. La superficie que peor adherencia tiene es la galvanizada. La secuencia de aplicación ha sido un parámetro significativo en las uniones híbridas, donde los mejores resultados se han obtenido cuando se aplicaba primero el adhesivo y la unión mecánica se realizaba antes del curado del adhesivo. La aplicación de presión durante el curado se ha mostrado un parámetro significativo en los adhesivos con poca capacidad para el relleno de la junta. En los otros casos su influencia ha sido poco relevante. El comportamiento de las uniones estructurales mecánicas y adhesivas en cuanto a la resistencia mecánica de la unión puede variar mucho en función del diseño de dicha unión. La resistencia mecánica puede ser tan grande que falle antes el substrato que la unión. Las mejores resistencias se consiguen diseñando las uniones con adhesivo cianoacrilato, eligiendo adecuadamente las condiciones superficiales y operacionales, por ejemplo chapa blanca aplicando una presión durante el curado de la unión. La utilización de uniones mixtas aumenta muy poco o nada la resistencia mecánica, pero a cambio proporciona una baja dispersión de resultados, siendo destacable para la superficie galvanizada, que es la que presenta peor reproducibilidad cuando se realizan uniones sólo con adhesivo. Las uniones mixtas conducen a un aumento de la deformación antes de la rotura. Los adhesivos dan rotura frágil y las uniones mecánicas rotura dúctil. La unión mixta proporciona ductilidad a la unión. Las uniones mixtas también pueden dar rotura frágil, esto sucede cuando la resistencia del adhesivo es tres veces superior a la resistencia de la unión mecánica. Las uniones híbridas mejoran la rigidez de la junta, sobre todo se aprecia un aumento importante en las uniones mixtas realizadas con adhesivos flexibles, pudiendo decirse que para todos los adhesivos la rigidez de la unión híbrida es superior. ABSTRACT The mechanical and adhesive structural joints require the combination of a large number of parameters to obtain the structural continuity required for the design conditions. The characteristics of the junctions have important variations, linked to performance conditions, in mechanical joints as particular in mixed adhesive joints (mechanical and adhesive joints, also known as hybrid joints). The mechanical properties of the adhesive joints depend of the nature and properties of adhesives and also of many other parameters that directly influence in the behavior of these joints. Some of the most significant parameters are: the surface finished of the material, area and thickness of the adhesive layer, suitable design, and application sequence, chemical properties of the surface and preparation of the substrate before applying the adhesive. Adhesion mechanisms are complex. In general, each adhesive joint can only be explained by considering the combined action of several adhesions mechanisms. There aren’t universal adhesives for a given material or application, so that each pair substrate-adhesive requires a particular study and the behavior obtained can vary significantly from one to another case. The failure of an adhesive joint depends on the cohesion-adhesion mechanism, linked to the sequence and manner of execution of the operational parameters used in the joint. In the structural applications, there are a very high number of joining systems and possible substrates. In this work we have selected four different adhesives (cyanoacrylate, epoxy, polyurethane and silano modified) and two mechanical joining processes (riveting and clinching). These joints were applied on carbon steel with different types of surfaces (white sheet, galvanized and pre-painted). The operational parameters analyzed were: surface preparation, thickness of adhesive, application sequence and application of pressure during curing. We have analyzed individual joints both as hybrid joints (adhesive joint and mechanical joint). The combination of joining processes, substrates and operational parameters has resulted in the preparation and testing of over a thousand specimens. Then, due to the spread of results characteristic of adhesive joints, for each condition analyzed we have tested six samples. The results have been: The thickness of adhesive used is an important variable in the flexible adhesives, where the lower the adhesive thickness greater the shear strength of the joint. However in rigid adhesives is lower influence. The nature of the surface is essential for good adherence of the adhesive to the substrate, which affects the shear strength of the joint. The surface has better adherence is preprinted, especially when there is a high compatibility between the paint and the adhesive. The surface which has poor adherence is the galvanized. The sequence of application has been a significant parameter in the hybrid junctions, where the best results are obtained when applying first the adhesive and the mechanical joint is performed before cured of the adhesive. The application of pressure during curing has shown a significant parameter in the adhesives with little capacity for filler the joint. In other cases their influence has been less relevant. The behavior of structural mechanical and adhesive joints in the shear strength of the joint can vary greatly depending on the design of such a joint. The shear strength may be so large that the substrate fails before the joint. The best shear strengths are achieved by designing the junctions with cyanoacrylate adhesive, by selecting appropriately the surface and operating conditions, for example by white sheet applying a pressure during curing of the joint. The use of hybrid joints no increase shear strength, but instead provides a low dispersion of results, being remarkable for the galvanized surface, which is the having worst reproducibility when performed bonded joints. The hybrid joints leading to increased deformation before rupture. The joints witch adhesives give brittle fracture and the mechanics joints give ductile fracture. Hybrid joint provides ductility at the joint. Hybrid joint can also give brittle fracture, this happens when the shear strength of the adhesive is three times the shear strength of the mechanical joint. The hybrid joints improve stiffness of joint, especially seen a significant increase in hybrid joints bonding with flexible adhesives, can be said that for all the adhesives, the hybrid junction stiffness is higher.