Optimización de la densidad de energía en vigas de material compuesto (PRF) sometidas a flexión pura

Las necesidades energéticas actuales requieren el desarrollo de tecnologías eficaces y eficientes en producción, transporte y distribución de energía. Estas necesidades han impulsado nuevos desarrollos en el ámbito energético, entre los cuales se encuentran sistemas de almacenamiento de energía. El avance en ingeniería de materiales permite pensar en la posibilidad de almacenamiento mediante deformación elástica de vigas. Concretamente se parte de un concepto de mecanismo acumulador de energía basado en la deformación elástica de resortes espirales a torsión. Dichos resortes se pueden considerar como elementos vigas sometidos a flexión pura y grandes deflexiones. Esta Tesis de centra en el diseño y optimización de estos elementos con el fin de maximizar la densidad de energía que son capaces de absorber. El proceso de optimización comienza con la identificación del factor crítico del que depende dicho proceso, en este caso de trata de la densidad de energía. Dicho factor depende de la geometría de la sección resistente y del material empleado en su construcción. En los últimos años ha existido un gran desarrollo de los materiales compuestos de tipo polimérico reforzados con fibras (PRF). Estos materiales están sustituyendo gradualmente a otros materiales, como los metales, debido principalmente a su excelente relación entre propiedades mecánicas y peso. Por otro lado, analizando las posibles geometrías para la sección resistente, se observó que la más adecuada es una estructura tipo sándwich. Se implementa así un procedimiento de diseño de vigas sándwich sometidas a flexión pura, con las pieles fabricadas en materiales compuestos tipo PRF y un núcleo que debe garantizar el bajo peso de la estructura. Se desarrolla así un procedimiento sistemático que se puede particularizar dependiendo de los parámetros de entrada de la viga, y que tiene en cuenta y analiza la aparición de todos los posibles modos de fallo posibles. Así mismo se desarrollan una serie de mapas o ábacos de diseño que permiten seleccionar rápidamente las dimensiones preliminares de la viga. Finalmente se llevan a cabo ensayos que permiten, por un lado, validar el concepto del mecanismo acumulador de energía a través del ensayo de un muelle con sección monolítica, y por otro validar los distintos diseños de vigas sándwich propuestos y mostrar el incremento de la densidad de energía con respecto a la alternativa monolítica. Como líneas futuras de investigación se plantean la investigación en nuevos materiales, como la utilización de nanotubos de carbono, y la optimización del mecanismo de absorción de energía; optimizando el mecanismo de absorción a flexión pura e implementando sistemas que permitan acumular energía mediante la deformación elástica debida a esfuerzos de tracción-compresión. ABSTRACT Energy supply requires the development of effective and efficient technologies for the production, transport and distribution of energy. In recent years, many energy storage systems have been developed. Advances in the field of materials engineering has allowed the development of new concepts as the energy storage by elastic deformation of beams. Particularly, in this Thesis an energy storage device based on the elastic deformation of torsional springs has been studied. These springs can be considered as beam elements subjected to pure bending loads and large deflections. This Thesis is focused on the design and optimization of these beam elements in order to maximize its density of stored energy. The optimization process starts with the identification of the critical factors for the elastic energy storage: the density. This factor depends on the geometry of the cross section of the beam and the materials from which it is made. In the last 20 years, major advances in the field of composite materials have been made, particularly in the field of fiber reinforced polymers (FRP). This type of material is substituting gradually metallic materials to their excellent weight-mechanical properties ratio. In the other side, several possible geometries are analyzed for its use in the cross section of the beam; it was concluded that the best option, for maximum energy density, is using a sandwich beam. A design procedure for sandwich beams with skins made up with FRP composites and a light weight core is developed. This procedure can be particularized for different input parameters and it analyzes all the possible failure modes. Abacus and failure mode maps have been developed in order to simplify the design process. Finally several tested was made. Firstly, a prototype of the energy storage system which uses a monolithic composite beam was tested in order to validate the concept of the energy storage by elastic deformation. After that sandwich beam samples are built and tested, validating the design and showing the increase of energy density with respect to the monolithic beam. As futures research lines the following are proposed: research in new materials, as carbon nanotubes; and the optimization of the energy storage mechanism, that means optimizing the pure bending storage mechanism and developing new ones based on traction-compression mechanisms.

Estudio de la fisuración en particiones verticales de yeso laminado, producidas por la deformación de forjados

Las exigencias de calidad, tanto en el ámbito de la rehabilitación como en el de las obras de nueva planta, obligan a evitar la fisuración de la tabiquería. Una de sus principales causas es la deformación excesiva de los forjados. Aunque en la mayoría de los casos no tiene efectos estructurales sino solamente estéticos, es necesario tomar precauciones para evitar la fisuración, pues es una de las patologías más frecuentes y en muchos casos motivo de reclamación de los usuarios. El aumento del consumo de los paneles de placa de yeso laminado y lana de roca para la realización de tabiquerías, justifica la necesidad de ahondar en el conocimiento del comportamiento y del mecanismo de fisuración de este material, pues hasta la fecha no se ha encontrado ningún trabajo especificamente dedicado al estudio del comportamiento en fractura de paneles sandwich de placa de yeso laminado y lana de roca en su plano. A la hora de abordar el estudio del comportamiento en fractura del material objeto de esta tesis, es preciso tener en cuenta que se trata de un material compuesto y, como tal, sus propiedades mecánicas y resistentes dependen en gran medida de las de sus componentes. Por tanto, para poder explicar el comportamiento en fractura del panel sandwich, habrá que estudiar también el de sus componentes. Por otro lado, se considera también muy útil disponer de una herramienta de calculo para la simulación de la fractura de paneles sandwich que sea predictiva. Este modelo hará posible facilitar el diseño de tabiquerías que no se fisure con este material, al poder relacionar las flechas que pueden tomar los forjados con su potencial fisuración. Para contrastar y validar un modelo de este tipo, es necesario disponer de suficientes datos experimentales del comportamiento en fractura del panel sandwich de placa de yeso laminado y lana de roca, que se puedan simular numericamente con el mismo. A partir de lo anteriormente expuesto se plantea, en primer lugar, una campaña experimental con el fin de obtener los parámetros necesarios para caracterizar el comportamiento en fractura de los paneles sandwich y sus componentes: placa de yeso laminado y lana de roca, estudiando también, su comportamiento en fractura en Modo Mixto, y el efecto del tamaño en los parámetros del panel. Por otro lado se propone un modelo de cálculo para la simulación de la fractura en Modo Mixto de paneles sandwich de placa de yeso laminado y lana de roca, comprobando la validez del modelo numérico a partir de los resultados experimentales obtenidos en la campaña de ensayos. Finalmente, se aplica el modelo para estudiar la fisuración de tabiquería realizada con el panel sandwich producida por la deformación de forjados unidireccionales realizados con viguetas de hormigón y bovedilla cerámica, por ser esta tipología la más usual en obras de edificación de viviendas. The quality requirements in terms of rehabilitation and new Works, force to prevent cracking on partitions and one of the main causes is the excessive deformation of the floor. In most of the cases, there are any structural damages, only aesthetic effects, but it is necessary to take precautions to avoid cracking because it is one of the most common diseases and in addition is the main reason of user’s complaints. The increased consumption of plasterboard panels and mineral wool used to build partitions, justifies the need to develop a deeper understanding of the cracking behaviour and mechanism, because by now, any specifically work dedicated to the study of fractures behaviour of sandwich plasterboard panels and rock wool has been found. When approaching the study of the fracture behaviour of the material it must bear in mind that we are referring to a composite material and as such, its mechanical and strength properties depend heavily on its components. Therefore, to explain the fracture behaviour of sandwich panels its components must be studied as well. On the other hand, it is also considered very useful to have a calculation tool to simulate the more likely fractures of the sandwich panel in order to predict it. This model used to perform simulations will enable the design of partitions built with these materials without cracks because it will relate the deflections in decks with its potential cracking. To contrast and validate this type of model, it is necessary and imperative to have enough experimental data of the sandwich plasterboard and rock wool fractures in order to enable its numerical simulation with it. On the basis of the above, the question arises firstly an experimental campaign in order to obtain the necessary parameters to characterize the cracking behaviour of sandwich panels and its components: plasterboard and rock wool, studying also its cracking behaviour in a mixed mode fracture and the effect of size parameters of the panel. Furthermore, a calculation model to simulate fractures in mixed mode of the sandwich panels made of plasterboard and rock wool is proposed in order to check the validity of the numerical model, based on experimental results obtained from the test campaign. Finally, this model is applied to study cracking on partitions built with sandwich panels resulting from the unidirectional floor’s deformations built with prestressed concrete beams and slab pottery pieces being this typology the most common one on residential buildings works.

Madera termo-tratada de frondosas para uso estructural

La madera termotratada es madera modificada mediante un proceso térmico a elevadas temperaturas que le proporciona mayor estabilidad dimensional y durabilidad sin incorporar productos químicos perjudiciales para el medio ambiente. Hasta el momento se ha aplicado fundamentalmente a madera de coniferas por motivos económicos, siendo su uso más habitual en ambientes exteriores o de elevada humedad, como elementos de revestimiento no estructurales, carpinterías, mobiliario de jardín, etc. En la presente tesis se estudia la viabilidad de la madera termotratada de frondosas para uso estructural, en particular fresno (Fraxinus excelsior L) y haya (Fagus sylvatica L). Con este fin, y considerando que el termotratamiento modifica la estructura interna de la madera resultando en un nuevo material, se realizan estudios experimentales y numéricos para su caracterización. Estos trabajos se desarrollan bajo el enfoque de la Mecánica de Fractura debido a la pérdida de resistencia y aumento de fragilidad que presenta el material, especialmente a tracción perpendicular a las fibras. Así mismo, se lleva a cabo una recopilación de las bases, fundamentos y metodologías de esta teoría aplicados a madera sin tratar y otros materiales debido a la inexistencia de este tipo de estudios en madera termotratada. De igual manera se realiza un programa de caracterización mecánica del material para determinar sus propiedades elásticas considerando un modelo ortótropo, necesarios en la investigación del comportamiento a fractura. El trabajo derivó en el desarrollo de un nuevo método de ensayo para la determinación multiparamétrica a partir de un sólo espécimen, proporcionando resultados mucho más robustos que los obtenidos con la metodología convencional de ensayos. En base a los trabajos realizados, considerando las limitaciones de resistencia y fragilidad, así como la dudosa aplicabilidad de las normativas existentes en madera sin tratar, se aconseja no utilizar tratamientos térmicos intensos en elementos estructurales primarios. Se propone su aplicación en elementos secundarios, de manera que un posible colapso no implique una pérdida de fiabilidad global de la estructura. Se estudia la viabilidad de un panel sandwich innovador y ecológico para fachadas expuesto a cargas de viento, compuesto de madera termotratada en las caras y panel aislante de fibras de madera con función estructural en el alma. Esta investigación se desarrolló dentro del proyecto de investigación Europeo "Holiwood", Holistic implementation of European thermal treated hardwood (TMT) in the sector of construction industry and noise protection by sustainable, knowledge-based and value added products, perteneciente al sexto Programa Marco. ABSTRACT Hcat-trcatcd wood is modified wood by a thermal process at high temperatures which provides greater dimensional stability and durability without adding harmful chemicals to the environment. It has been mainly applied to softwoods due mainly to economical reasons, being its most common use outdoors or in high humidity environments, as non-structural elements, furniture, etc. The present Thesis studies the feasibility of heat-treated hardwoods for structural uses, particularly ash (Fraxinus excelsior L) and beech (Fagus sylvatica L). To this end, and considering that heat treatment modifies the internal structure of the wood resulting in a new material, experimental and numerical studies are performed for its characterization. This investigation is developed under the approach of Fracture Mechanics due to the loss of strength and the increase in brittlcncss of the material, especially in tension perpendicular to the grain. Likewise, it holds a collection of the bases, foundations and methodologies of this theory applied to untreated wood and other materials due to the lack of such studies in heat-treated wood. In addition, studies for the mechanical characterization of the material are performed in order to determine the elastic properties considering an orthotropic model. This work is necessary in the investigation of the fracture behavior. It led to the development of a new test method for multiparameter determination by using just a single specimen, providing much more robust results than those obtained with conventional test methodology. Based on this investigation, and considering the limitations of strength and brittleness, and the questionable applicability of existing standards for untreated wood, it is advised not to use intense heat treatments in primary structural elements. It is proposed the application to secondary elements, so that a possible collapse does not involve a loss of overall reliability of the structure. It is studied the feasibility of an innovative and ecological sandwich panel for facades exposed to wind loads, composed by heat-treated wood faces and insulating wood fiberboard with structural function in the core. This investigación was developed within the European research project "Holiwood", Holistic implementation of European thermal treated hardwood (TMT) in the sector of construction industry and noise protection by sustainable, knowledge-based and value added products, of the Sixth Framework Program.

Límites de ductilidad y de servicio al cálculo en carga última de estructuras de hormigón armado y de fábrica

En este trabajo se aborda una cuestión central en el diseño en carga última de estructuras de hormigón armado y de fábrica: la posibilidad efectiva de que las deformaciones plásticas necesarias para verificar un estado de rotura puedan ser alcanzadas por las regiones de la estructura que deban desarrollar su capacidad última para verificar tal estado. Así, se parte de las decisiones de diseño que mediante mera estática aseguran un equilibrio de la estructura para las cargas últimas que deba resistir, pero determinando directamente el valor de las deformaciones necesarias para llegar a tal estado. Por tanto, no se acude a los teoremas de rotura sin más, sino que se formula el problema desde un punto de vista elastoplástico. Es decir, no se obvia el recorrido que la estructura deba realizar en un proceso de carga incremental monótono, de modo que las regiones no plastificadas contribuyen a coaccionar las libres deformaciones plásticas que, en la teoría de rotura, se suponen. En términos de trabajo y energía, se introduce en el balance del trabajo de las fuerzas externas y en el de la energía de deformación, aquella parte del sistema que no ha plastificado. Establecido así el balance energético como potencial del sistema es cuando la condición de estacionariedad del mismo hace determinados los campos de desplazamientos y, por tanto, el de las deformaciones plásticas también. En definitiva, se trata de un modo de verificar si la ductilidad de los diseños previstos es suficiente, y en qué medida, para verificar el estado de rotura previsto, para unas determinadas cargas impuestas. Dentro del desarrollo teórico del problema, se encuentran ciertas precisiones importantes. Entre ellas, la verificación de que el estado de rotura a que se llega de manera determinada mediante el balance energético elasto-plástico satisface las condiciones de la solución de rotura que los teoremas de carga última predicen, asegurando, por tanto, que la solución determinada -unicidad del problema elásticocoincide con el teorema de unicidad de la carga de rotura, acotando además cuál es el sistema de equilibrio y cuál es la deformada de colapso, aspectos que los teoremas de rotura no pueden asegurar, sino sólo el valor de la carga última a verificar. Otra precisión se basa en la particularidad de los casos en que el sistema presenta una superficie de rotura plana, haciendo infinitas las posibilidades de equilibrio para una misma deformada de colapso determinada, lo que está en la base de, aparentemente, poder plastificar a antojo en vigas y arcos. Desde el planteamiento anterior, se encuentra entonces que existe una condición inherente a cualquier sistema, definidas unas leyes constitutivas internas, que permite al mismo llegar al inicio del estado de rotura sin demandar deformación plástica alguna, produciéndose la plastificación simultánea de todas las regiones que hayan llegado a su solicitación de rotura. En cierto modo, se daría un colapso de apariencia frágil. En tal caso, el sistema conserva plenamente hasta el final su capacidad dúctil y tal estado actúa como representante canónico de cualquier otra solución de equilibrio que con idéntico criterio de diseño interno se prevea para tal estructura. En la medida que el diseño se acerque o aleje de la solución canónica, la demanda de ductilidad del sistema para verificar la carga última será menor o mayor. Las soluciones que se aparten en exceso de la solución canónica, no verificarán el estado de rotura previsto por falta de ductilidad: la demanda de deformación plástica de alguna región plastificada estará más allá de la capacidad de la misma, revelándose una carga de rotura por falta de ductilidad menor que la que se preveía por mero equilibrio. Para la determinación de las deformaciones plásticas de las rótulas, se ha tomado un modelo formulado mediante el Método de los Elementos de Contorno, que proporciona un campo continuo de desplazamientos -y, por ende, de deformaciones y de tensiones- incluso en presencia de fisuras en el contorno. Importante cuestión es que se formula la diferencia, nada desdeñable, de la capacidad de rotación plástica de las secciones de hormigón armado en presencia de cortante y en su ausencia. Para las rótulas de fábrica, la diferencia se establece para las condiciones de la excentricidad -asociadas al valor relativo de la compresión-, donde las diferencias entres las regiones plastificadas con esfuerzo normal relativo alto o bajo son reseñables. Por otro lado, si bien de manera un tanto secundaria, las condiciones de servicio también imponen un límite al diseño previo en carga última deseado. La plastificación lleva asociadas deformaciones considerables, sean locales como globales. Tal cosa impone que, en estado de servicio, si la plastificación de alguna región lleva asociadas fisuraciones excesivas para el ambiente del entorno, la solución sea inviable por ello. Asimismo, las deformaciones de las estructuras suponen un límite severo a las posibilidades de su diseño. Especialmente en edificación, las deformaciones activas son un factor crítico a la hora de decidirse por una u otra solución. Por tanto, al límite que se impone por razón de ductilidad, se debe añadir el que se imponga por razón de las condiciones de servicio. Del modo anterior, considerando las condiciones de ductilidad y de servicio en cada caso, se puede tasar cada decisión de diseño con la previsión de cuáles serán las consecuencias en su estado de carga última y de servicio. Es decir, conocidos los límites, podemos acotar cuáles son los diseños a priori que podrán satisfacer seguro las condiciones de ductilidad y de servicio previstas, y en qué medida. Y, en caso de no poderse satisfacer, qué correcciones debieran realizarse sobre el diseño previo para poderlas cumplir. Por último, de las consecuencias que se extraen de lo estudiado, se proponen ciertas líneas de estudio y de experimentación para poder llegar a completar o expandir de manera práctica los resultados obtenidos. ABSTRACT This work deals with a main issue for the ultimate load design in reinforced concrete and masonry structures: the actual possibility that needed yield strains to reach a ultimate state could be reached by yielded regions on the structure that should develop their ultimate capacity to fulfill such a state. Thus, some statically determined design decisions are posed as a start for prescribed ultimate loads to be counteracted, but finding out the determined value of the strains needed to reach the ultimate load state. Therefore, ultimate load theorems are not taken as they are, but a full elasto-plastic formulation point of view is used. As a result, the path the structure must develop in a monotonus increasing loading procedure is not neglected, leading to the fact that non yielded regions will restrict the supposed totally free yield strains under a pure ultimate load theory. In work and energy terms, in the overall account of external forces work and internal strain energy, those domains in the body not reaching their ultimate state are considered. Once thus established the energy balance of the system as its potential, by imposing on it the stationary condition, both displacements and yield strains appear as determined values. Consequently, what proposed is a means for verifying whether the ductility of prescribed designs is enough and the extent to which they are so, for known imposed loads. On the way for the theoretical development of the proposal, some important aspects have been found. Among these, the verification that the conditions for the ultimate state reached under the elastoplastic energy balance fulfills the conditions prescribed for the ultimate load state predicted through the ultimate load theorems, assuring, therefore, that the determinate solution -unicity of the elastic problemcoincides with the unicity ultimate load theorem, determining as well which equilibrium system and which collapse shape are linked to it, being these two last aspects unaffordable by the ultimate load theorems, that make sure only which is the value of the ultimate load leading to collapse. Another aspect is based on the particular case in which the yield surface of the system is flat -i.e. expressed under a linear expression-, turning out infinite the equilibrium possibilities for one determined collapse shape, which is the basis of, apparently, deciding at own free will the yield distribution in beams and arches. From the foresaid approach, is then found that there is an inherent condition in any system, once defined internal constitutive laws, which allows it arrive at the beginning of the ultimate state or collapse without any yield strain demand, reaching the collapse simultaneously for all regions that have come to their ultimate strength. In a certain way, it would appear to be a fragile collapse. In such a case case, the system fully keeps until the end its ductility, and such a state acts as a canonical representative of any other statically determined solution having the same internal design criteria that could be posed for the that same structure. The extent to which a design is closer to or farther from the canonical solution, the ductility demand of the system to verify the ultimate load will be higher or lower. The solutions being far in excess from the canonical solution, will not verify the ultimate state due to lack of ductility: the demand for yield strains of any yielded region will be beyond its capacity, and a shortcoming ultimate load by lack of ductility will appear, lower than the expected by mere equilibrium. For determining the yield strains of plastic hinges, a Boundary Element Method based model has been used, leading to a continuous displacement field -therefore, for strains and stresses as well- even if cracks on the boundary are present. An important aspect is that a remarkable difference is found in the rotation capacity between plastic hinges in reinforced concrete with or without shear. For masonry hinges, such difference appears when dealing with the eccentricity of axial forces -related to their relative value of compression- on the section, where differences between yield regions under high or low relative compressions are remarkable. On the other hand, although in a certain secondary manner, serviceability conditions impose limits to the previous ultimate load stated wanted too. Yield means always big strains and deformations, locally and globally. Such a thing imposes, for serviceability states, that if a yielded region is associated with too large cracking for the environmental conditions, the predicted design will be unsuitable due to this. Furthermore, displacements must be restricted under certain severe limits that restrain the possibilities for a free design. Especially in building structures, active displacements are a critical factor when chosing one or another solution. Then, to the limits due to ductility reasons, other limits dealing with serviceability conditions shoud be added. In the foresaid way, both considering ductility and serviceability conditions in every case, the results for ultimate load and serviceability to which every design decision will lead can be bounded. This means that, once the limits are known, it is possible to bound which a priori designs will fulfill for sure the prescribed ductility and serviceability conditions, and the extent to wich they will be fulfilled, And, in case they were not, which corrections must be performed in the previous design so that it will. Finally, from the consequences derived through what studied, several study and experimental fields are proposed, in order to achieve a completeness and practical expansion of the obtained results.

Post-CMOS compatible high-throughput fabrication of AIN-based piezoelectric microcantilevers

A post-complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatible microfabrication process of piezoelectric cantilevers has been developed. The fabrication process is suitable for standard silicon technology and provides low-cost and high-throughput manufacturing. This work reports design, fabrication and characterization of piezoelectric cantilevers based on aluminum nitride (AlN) thin films synthesized at room temperature. The proposed microcantilever system is a sandwich structure composed of chromium (Cr) electrodes and a sputtered AlN film. The key issue for cantilever fabrication is the growth at room temperature of the AlN layer by reactive sputtering, making possible the innovative compatibility of piezoelectric MEMS devices with CMOS circuits already processed. AlN and Cr have been etched by inductively coupled plasma (ICP) dry etching using a BCl3–Cl2–Ar plasma chemistry. As part of the novelty of the post-CMOS micromachining process presented here, a silicon Si (1 0 0) wafer has been used as substrate as well as the sacrificial layer used to release the microcantilevers. In order to achieve this, the Si surface underneath the structure has been wet etched using an HNA (hydrofluoric acid + nitric acid + acetic acid) based solution. X-ray diffraction (XRD) characterization indicated the high crystalline quality of the AlN film. An atomic force microscope (AFM) has been used to determine the Cr electrode surface roughness. The morphology of the fabricated devices has been studied by scanning electron microscope (SEM). The cantilevers have been piezoelectrically actuated and their out-of-plane vibration modes were detected by vibrometry.