Efecto de las cubiertas ajardinadas sobre el microclima urbano de verano

El cambio climático y sus efectos requieren con urgencia el desarrollo de estrategias capaces no solo de mitigar pero también permitir la adaptación de los sistemas afectados por este fenómeno a los cambios que están provocando a nivel mundial. Olas de calor más largas y frecuentes, inundaciones, y graves sequías aumentan la vulnerabilidad de la población, especialmente en asentamientos urbanos. Este fenómeno y sus soluciones potenciales han sido ampliamente estudiados en las últimas décadas desde diferentes perspectivas y escalas que analizan desde el fenómeno regional de isla de calor al aumento de la intensidad energética necesaria en los edificios para mantener las condiciones de confort en los escenarios de calentamiento que se predicen. Su comprensión requiere el entendimiento de este fenómeno y un profundo análisis de las estrategias que pueden corregirlo y adaptarse a él. En la búsqueda de soluciones a este problema, las estrategias que incorporan sistemas naturales tales como las cubiertas ajardinadas, las fachadas vegetadas y bosques urbanos, se presentan como opciones de diseño capaces de proporcionan múltiples servicios al ecosistema urbano y de regular y hacer frente a los efectos del cambio climático. Entre los servicios que aportan estos sistemas naturales se incluyen la gestión de agua de tormentas, el control del efecto isla de calor, la mejora de la calidad del aire y del agua, el aumento de la diversidad, y como consecuencia de todo lo anterior, la reducción de la huella ecológica de las ciudades. En la última década, se han desarrollado múltiples estudios para evaluar y cuantificar los servicios al ecosistema proporcionados por las infraestructuras verdes, y específicamente las cubiertas ajardinadas, sin embargo, determinados servicios como la capacidad de la regulación del microclima urbano no ha sido apenas estudiados. La mayor parte de la literatura en este campo la componen estudios relacionados con la capacidad de las cubiertas ajardinadas de reducir el efecto de la isla de calor, en una escala local, o acerca de la reducción de la demanda energética de refrigeración debida a la instalación de cubiertas ajardinadas en la escala de edificio. La escala intermedia entre estos dos ámbitos, la calle, desde su ámbito habitable cercano al suelo hasta el límite superior del cañón urbano que configura, no han sido objeto detallado de estudio por lo que es esta escala el objeto de esta tesis doctoral. Esta investigación tiene como objeto contribuir en este campo y aportar un mayor entendimiento a través de la cuantificación del impacto de las cubiertas ajardinadas sobre la temperatura y humedad en el cañón urbano en la escala de calle y con un especial foco en el nivel peatonal. El primer paso de esta investigación ha sido la definición del objeto de estudio a través del análisis y revisión de trabajos tanto teóricos como empíricos que investigan los efectos de cubiertas ajardinadas en el entorno construido, entendidas como una herramienta para la adaptación y mitigación del impacto del cambio climático en las ciudades. La literatura analizada, revela el gran potencial de los sistemas vegetales como herramientas para el diseño pasivo puesto que no solo son capaces de mejorar las condiciones climáticas y microclimaticas en las ciudades reduciendo su demanda energética, sino también la necesidad de mayor análisis en la escala de calle donde confluyen el clima, las superficies urbanas y materiales y vegetación. Este análisis requiere una metodología donde se integren la respuesta térmica de edificios, las variaciones en los patrones de viento y radiación, y la interacción con la vegetación, por lo que un análisis cuantitativo puede ayudar a definir las estrategias más efectivas para lograr espacios urbanos más habitables. En este contexto, el objetivo principal de esta investigación ha sido la evaluación cuantitativa del impacto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano a escala de barrio en condiciones de verano en los climas mediterráneos continentales. Para el logro de este objetivo, se ha seguido un proceso que persigue identificar los modelos y herramientas de cálculo capaces de capturar el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima, identificar los parámetros que potencian o limitan este efecto, y cuantificar las variaciones que microclima creado en el cañón urbano produce en el consumo de energía de los edificios que rodean éste espacio. La hipótesis principal detrás de esta investigación y donde los objetivos anteriores se basan es el siguiente: "una cubierta ajardinada instalada en edificios de mediana altura favorece el establecimiento de microclimas a nivel peatonal y reduce las temperaturas en el entorno urbano donde se encuentra”. Con el fin de verificar la hipótesis anterior y alcanzar los objetivos propuestos se ha seguido la siguiente metodología: • definición del alcance y limitaciones del análisis • Selección de las herramientas y modelos de análisis • análisis teórico de los parámetros que afectan el efecto de las cubiertas ajardinadas • análisis experimental; • modelización energética • conclusiones y futuras líneas de trabajo Dada la complejidad de los fenómenos que intervienen en la generación de unas determinadas condiciones microclimáticas, se ha limitado el objeto de este estudio a las variables de temperatura y humedad, y sólo se han tenido en cuenta los componentes bióticos y abióticos del sistema, que incluyen la morfología, características superficiales del entorno estudiado, así como los elementos vegetales. Los componentes antrópicos no se han incluido en este análisis. La búsqueda de herramientas adecuadas para cumplir con los objetivos de este análisis ha concluido en la selección de ENVI-met v4 como el software más adecuado para esta investigación por su capacidad para representar los complejos fenómenos que caracterizan el microclima en cañones urbanos, en una escala temporal diaria y con unas escala local de vecindario. Esta herramienta supera el desafío que plantean los requisitos informáticos de un cálculo completo basado en elementos finitos realizados a través de herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) que requieren una capacidad de cálculo computacional y tiempo privativos y en una escala dimensional y temporal limitada a esta capacidad computacional lo que no responde a los objetivos de esta investigación. ENVI-met 4 se basa es un modelo tridimensional del micro clima diseñado para simular las interacciones superficie-planta-aire en entornos urbanos. Basado en las ecuaciones fundamentales del equilibrio que representan, la conservación de masa, energía y momento. ENVI-met es un software predictivo, y como primer paso ha requerido la definición de las condiciones iniciales de contorno que se utilizan como punto de partida por el software para generar su propio perfil de temperatura y humedad diaria basada en la localización de la construcción, geometría, vegetación y las superficies de características físicas del entorno. La geometría de base utilizada para este primer análisis se ha basado en una estructura típica en cuanto al trazado urbano situada en Madrid que se ha simulado con una cubierta tradicional y una cubierta ajardinada en sus edificios. La estructura urbana seleccionada para este análisis comparativo es una red ortogonal con las calles principales orientadas este-oeste. El edificio típico que compone el vecindario se ha definido como “business as usual” (BAU) y se ha definido con una cubierta de baldosa de hormigón estándar, con un albedo 0.3, paredes con albedo 0.2 (construcción de muro de ladrillo típico) y cerramientos adiabáticos para evitar las posibles interferencias causadas por el intercambio térmico con el ambiente interior del edificio en los resultados del análisis. Para el caso de la cubierta ajardinada, se mantiene la misma geometría y características del edificio con excepción de la cobertura superficial de la azotea. Las baldosas de hormigón se han modificado con una cubierta ajardinada extensiva cubierta con plantas xerófilas, típicas en el clima de Madrid y caracterizado por su índice de densidad foliar, el “leaf area density” (LAD), que es la superficie total de superficie de hojas por unidad de volumen (m2/m3). El análisis se centra en los cañones urbanos entendidos como el espacio de calle comprendido entre los límites geométricos de la calle, verticales y horizontales, y el nivel superior de la cota urbana nivel de cubiertas. Los escenarios analizados se basan en la variación de la los principales parámetros que según la literatura analizada condicionan las variaciones microclimáticas en el ámbito urbano afectado por la vegetación, la velocidad del viento y el LAD de la azotea. Los resultados han sido registrados bajo condiciones de exposición solar diferentes. Las simulaciones fueron realizadas por los patrones de viento típico de verano, que para Madrid se caracterizan por vientos de componente suroeste que van desde 3 a 0 m/s. las simulaciones fueron realizadas para unas condiciones climáticas de referencia de 3, 2, 1 y 0 m/s a nivel superior del cañón urbano, como condición de contorno para el análisis. Los resultados calculados a 1,4 metros por encima del nivel del suelo, en el espacio habitado, mostraron que el efecto de la cubierta ajardinada era menor en condiciones de contorno con velocidades de viento más altas aunque en ningún caso el efecto de la cubierta verde sobre la temperatura del aire superó reducciones de temperatura de aire superiores a 1 º C. La humedad relativa no presentó variaciones significativas al comparar los diferentes escenarios. Las simulaciones realizadas para vientos con velocidad baja, entre 0 y 1 m/s mostraron que por debajo de 0.5 m/s la turbulencia del modelo aumentó drásticamente y se convirtió en el modelo inestable e incapaz de producir resultados fiables. Esto es debido al modelo de turbulencia en el software que no es válido para velocidades de viento bajas, lo que limita la capacidad de ENVI-met 4 para realizar simulaciones en estas condiciones de viento y es una de las principales conclusiones de este análisis en cuanto a la herramienta de simulación. También se comprobó el efecto de las densidades de la densidad de hoja (LAD) de los componentes vegetales en el modelo en la capa de aire inmediatamente superior a la cubierta, a 0,5 m sobre este nivel. Se compararon tres alternativas de densidad de hoja con la cubierta de baldosa de hormigón: el techo verde con LAD 0.3 (hierba típica o sedum), LAD 1.5 (plantas mixtas típicas) y LAD 2.5 (masa del árbol). Los resultados mostraron diferencias de temperatura muy relevante entre las diferentes alternativas de LAD analizadas. Los resultados muestran variaciones de temperatura que oscilan entre 3 y 5 º C al comparar el estándar de la azotea concreta con albedo 0, 3 con el techo con vegetación y vegetación densa, mostrando la importancia del LAD en la cuantificación de los efectos de las cubiertas vegetales en microclima circundante, lo que coincide con los datos reportados en la literatura existente y con los estudios empíricos analizados. Los resultados de los análisis teóricos han llegado a las siguientes conclusiones iniciales relacionadas con la herramienta de simulación y los resultados del modelo: En relación con la herramienta ENVI-met, se han observado limitaciones para el análisis. En primer lugar, la estructura rígida de la geometría, las bases de datos y el tamaño de la cuadrícula, limitan la escala y resolución de los análisis no permitiendo el desarrollo de grandes zonas urbanas. Por otro lado la estructura de ENVI-met permite el desarrollo de este tipo de simulación tan complejo dentro de tiempos razonables de cálculo y requerimientos computacionales convencionales. Otra limitación es el modelo de turbulencia del software, que no modela correctamente velocidades de viento bajas (entre 0 y 1 m/s), por debajo de 0,5 m/s el modelo da errores y no es estable, los resultados a estas velocidades no son fiables porque las turbulencias generadas por el modelo hacen imposible la extracción de patrones claros de viento y temperatura que permitan la comparación entre los escenarios de cubierta de hormigón y ajardinada. Además de las limitaciones anteriores, las bases de datos y parámetros de entrada en la versión pública del software están limitados y la complejidad de generar nuevos sistemas adaptándolos al edificio o modelo urbano que se quiera reproducir no es factible salvo en la versión profesional del software. Aparte de las limitaciones anteriores, los patrones de viento y perfiles de temperatura generados por ENVI-met concuerdan con análisis previos en los que se identificaban patrones de variación de viento y temperaturas en cañones urbanos con patrones de viento, relación de aspecto y dimensiones similares a los analizados en esta investigación. Por lo tanto, el software ha demostrado una buena capacidad para reproducir los patrones de viento en los cañones de la calle y capturar el efecto de enfriamiento producido por la cubierta verde en el cañón. En relación con el modelo, el resultado revela la influencia del viento, la radiación y el LAD en la temperatura del aire en cañones urbanos con relación de aspecto comprendida entre 0,5 y 1. Siendo el efecto de la cubierta verde más notable en cañones urbanos sombreados con relación de aspecto 1 y velocidades de viento en el nivel de “canopy” (por encima de la cubierta) de 1 m/s. En ningún caso las reducciones en la temperatura del aire excedieron 1 º C, y las variaciones en la humedad relativa no excedieron 1% entre los escenarios estudiados. Una vez que se han identificado los parámetros relevantes, que fueron principalmente la velocidad del viento y el LAD, se realizó un análisis experimental para comprobar los resultados obtenidos por el modelo. Para éste propósito se identificó una cubierta ajardinada de grandes dimensiones capaz de representar la escala urbana que es el objeto del estudio. El edificio usado para este fin fue el parking de la terminal 4 del aeropuerto internacional de Madrid. Aunque esto no es un área urbana estándar, la escala y la configuración del espacio alrededor del edificio fueron considerados aceptables para el análisis por su similitud con el contexto urbano objeto de estudio. El edificio tiene 800 x 200 m, y una altura 15 m. Está rodeado de vías de acceso pavimentadas con aceras conformando un cañón urbano limitado por el edificio del parking, la calle y el edificio de la terminal T4. El aparcamiento está cerrado con fachadas que configuran un espacio urbano de tipo cañón, con una relación de aspecto menor que 0,5. Esta geometría presenta patrones de viento y velocidad dentro del cañón que difieren ligeramente de los generados en el estudio teórico y se acercan más a los valores a nivel de canopo sobre la cubierta del edificio, pero que no han afectado a la tendencia general de los resultados obtenidos. El edificio cuenta con la cubierta ajardinada más grande en Europa, 12 Ha cubiertas por con una mezcla de hierbas y sedum y con un valor estimado de LAD de 1,5. Los edificios están rodeados por áreas plantadas en las aceras y árboles de sombra en las fachadas del edificio principal. El efecto de la cubierta ajardinada se evaluó mediante el control de temperaturas y humedad relativa en el cañón en un día típico de verano. La selección del día se hizo teniendo en cuenta las predicciones meteorológicas para que fuesen lo más semejantes a las condiciones óptimas para capturar el efecto de la cubierta vegetal sobre el microclima urbano identificadas en el modelo teórico. El 09 de julio de 2014 fue seleccionado para la campaña de medición porque las predicciones mostraban 1 m/s velocidad del viento y cielos despejados, condiciones muy similares a las condiciones climáticas bajo las que el efecto de la cubierta ajardinada era más notorio en el modelo teórico. Las mediciones se registraron cada hora entre las 9:00 y las 19:00 en 09 de julio de 2014. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron en 5 niveles diferentes, a 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 y 16 m por encima del suelo y a 0,5 m de distancia de la fachada del edificio. Las mediciones fueron tomadas en tres escenarios diferentes, con exposición soleada, exposición la sombra y exposición influenciada por los árboles cercanos y suelo húmedo. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron con un equipo TESTO 410-2 con una resolución de 0,1 ºC para temperatura, 0,1 m/s en la velocidad del viento y el 0,1% de humedad relativa. Se registraron las temperaturas de la superficie de los edificios circundantes para evaluar su efecto sobre los registros usando una cámara infrarroja FLIR E4, con resolución de temperatura 0,15ºC. Distancia mínima a la superficie de 0,5 m y rango de las mediciones de Tª de - 20 º C y 250 º C. Los perfiles de temperatura extraídos de la medición in situ mostraron la influencia de la exposición solar en las variaciones de temperatura a lo largo del día, así como la influencia del calor irradiado por las superficies que habían sido expuestas a la radiación solar así como la influencia de las áreas de jardín alrededor del edificio. Después de que las medidas fueran tomadas, se llevaron a cabo las siguientes simulaciones para evaluar el impacto de la cubierta ajardinada en el microclima: a. estándar de la azotea: edificio T4 asumiendo un techo de tejas de hormigón con albedo 0.3. b. b. cubierta vegetal : T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con valor bajo del LAD (0.5)-techo de sedum simple. c. c. cubierta vegetal: T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con alta joven valor 1.5-mezcla de plantas d. d. cubierta ajardinada más vegetación nivel calle: el edificio T4 con LAD 1.5, incluyendo los árboles existentes a nivel de calle. Este escenario representa las condiciones actuales del edificio medido. El viento de referencia a nivel de cubierta se fijó en 1 m/s, coincidente con el registro de velocidad de viento en ese nivel durante la campaña de medición. Esta velocidad del viento se mantuvo constante durante toda la campaña. Bajo las condiciones anteriores, los resultados de los modelos muestran un efecto moderado de azoteas verdes en el microclima circundante que van desde 1 º a 2 º C, pero una contribución mayor cuando se combina con vegetación a nivel peatonal. En este caso las reducciones de temperatura alcanzan hasta 4 ºC. La humedad relativa sin embargo, no presenta apenas variación entre los escenarios con y sin cubierta ajardinada. Las temperaturas medidas in situ se compararon con resultados del modelo, mostrando una gran similitud en los perfiles definidos en ambos casos. Esto demuestra la buena capacidad de ENVI-met para reproducir el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima y por tanto para el fin de esta investigación. Las diferencias más grandes se registraron en las áreas cercanas a las zonas superiores de las fachadas que estaban más expuestas a la radiación del sol y también el nivel del suelo, por la influencia de los pavimentos. Estas diferencias se pudieron causar por las características de los cerramientos en el modelo que estaban limitados por los datos disponibles en la base de datos de software, y que se diferencian con los del edificio real. Una observación importante derivada de este estudio es la contribución del suelo húmedo en el efecto de la cubierta ajardinada en la temperatura del aire. En el escenario de la cubierta ajardinada con los arboles existentes a pie de calle, el efecto del suelo húmedo contribuye a aumentar las reducciones de temperatura hasta 4.5ºC, potenciando el efecto combinado de la cubierta ajardinada y la vegetación a pie de calle. Se realizó un análisis final después de extraer el perfil horario de temperaturas en el cañón urbano influenciado por el efecto de las cubiertas ajardinadas y los árboles. Con esos perfiles modificados de temperatura y humedad se desarrolló un modelo energético en el edificio asumiendo un edificio cerrado y climatizado, con uso de oficinas, una temperatura de consigna de acuerdo al RITE de 26 ºC, y con los sistemas por defecto que establece el software para el cálculo de la demanda energética y que responden a ASHRAE 90.1. El software seleccionado para la simulación fue Design Builder, por su capacidad para generar simulaciones horarias y por ser una de las herramientas de simulación energética más reconocidas en el mercado. Los perfiles modificados de temperatura y humedad se insertaron en el año climático tipo y se condujo la simulación horaria para el día definido, el 9 de Julio. Para la simulación se dejaron por defecto los valores de conductancia térmica de los cerramientos y la eficiencia de los equipos de acuerdo a los valores que fija el estándar ASHRAE para la zona climática de Madrid, que es la 4. El resultado mostraba reducciones en el consumo de un día pico de hasta un 14% de reducción en las horas punta. La principal conclusión de éste estudio es la confirmación del potencial de las cubiertas ajardinadas como una estrategia para reducir la temperatura del aire y consumo de energía en los edificios, aunque este efecto puede ser limitado por la influencia de los vientos, la radiación y la especie seleccionada para el ajardinamiento, en especial de su LAD. Así mismo, en combinación con los bosques urbanos su efecto se potencia e incluso más si hay pavimentos húmedos o suelos porosos incluidos en la morfología del cañón urbano, convirtiéndose en una estrategia potencial para adaptar los ecosistemas urbanos el efecto aumento de temperatura derivado del cambio climático. En cuanto a la herramienta, ENVI-met se considera una buena opción para éste tipo de análisis dada su capacidad para reproducir de un modo muy cercano a la realidad el efecto de las cubiertas. Aparte de ser una herramienta validada en estudios anteriores, en el caso experimental se ha comprobado por medio de la comparación de las mediciones con los resultados del modelo. A su vez, los resultados y patrones de vientos generados en los cañones urbanos coinciden con otros estudios similares, concluyendo por tanto que es un software adecuado para el objeto de esta tesis doctoral. Como líneas de investigación futura, sería necesario entender el efecto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano en diferentes zonas climáticas, así como un mayor estudio de otras variables que no se han observado en este análisis, como la temperatura media radiante y los indicadores de confort. Así mismo, la evaluación de otros parámetros que afectan el microclima urbano tales como variables geométricas y propiedades superficiales debería ser analizada en profundidad para tener un resultado que cubra todas las variables que afectan el microclima en el cañón urbano. ABSTRACT Climate Change is posing an urgency in the development of strategies able not only to mitigate but also adapt to the effects that this global problem is evidencing around the world. Heat waves, flooding and severe draughts increase the vulnerability of population, and this is especially critical in urban settlements. This has been extensively studied over the past decades, addressed from different perspectives and ranging from the regional heat island analysis to the building scale. Its understanding requires physical and dimensional analysis of this broad phenomenon and a deep analysis of the factors and the strategies which can offset it. In the search of solutions to this problem, green infrastructure elements such as green roofs, walls and urban forests arise as strategies able provide multiple regulating ecosystem services to the urban environment able to cope with climate change effects. This includes storm water management, heat island effect control, and improvement of air and water quality. Over the last decade, multiple studies have been developed to evaluate and quantify the ecosystem services provided by green roofs, however, specific regulating services addressing urban microclimate and their impact on the urban dwellers have not been widely quantified. This research tries to contribute to fill this gap and analyzes the effects of green roofs and urban forests on urban microclimate at pedestrian level, quantifying its potential for regulating ambient temperature in hot season in Mediterranean –continental climates. The study is divided into a sequence of analysis where the critical factors affecting the performance of the green roof system on the microclimate are identified and the effects of the green roof is tested in a real case study. The first step has been the definition of the object of study, through the analysis and review of theoretical and empirical papers that investigate the effects of covers landscaped in the built environment, in the context of its use as a tool for adaptation and mitigation of the impact of climate change on cities and urban development. This literature review, reveals the great potential of the plant systems as a tool for passive design capable of improving the climatic and microclimatic conditions in the cities, as well as its positive impact on the energy performance of buildings, but also the need for further analysis at the street scale where climate, urban surfaces and materials, and vegetation converge. This analysis requires a methodology where the thermal buildings response, the variations in the patterns of wind and the interaction of the vegetation are integrated, so a quantitative analysis can help to define the most effective strategies to achieve liveable urban spaces and collaterally, , the improvement of the surrounding buildings energy performance. In this specific scale research is needed and should be customized to every climate, urban condition and nature based strategy. In this context, the main objective for this research was the quantitative assessment of the Green roof impact on the urban microclimate at a neighbourhood scale in summer conditions in Mediterranean- continental climates. For the achievement of this main objective, the following secondary objectives have been set: • Identify the numerical models and calculation tools able to capture the effect of the roof garden on the microclimate. • Identify the enhancing or limiting parameter affecting this effect. • Quantification of the impact of the microclimate created on the energy consumption of buildings surrounding the street canyon analysed. The main hypothesis behind this research and where the above objectives are funded on is as follows: "An extensive roof installed in medium height buildings favours the establishment of microclimates at the pedestrian level and reduces the temperatures in the urban environment where they are located." For the purpose of verifying the above hypothesis and achieving the proposed objectives the following methodology has been followed: - Definition of hypothesis and objectives - Definition of the scope and limitations - Theoretical analysis of parameters affecting gren roof performance - Experimental analysis; - Energy modelling analyisis - Conclusions and future lines of work The search for suitable tools and models for meeting the objectives of this analysis has led to ENVI-met v4 as the most suitable software for this research. ENVI met is a three-dimensional micro-climate model designed to simulate the surface-plant-air interactions in urban environments. Based in the fundamental equations representing, mass, energy and momentum conservation, the software has the capacity of representing the complex phenomena characterizing the microclimate in urban canyons, overcoming the challenge posed by the computing requirements of a full calculus based on finite elements done via traditional computational fluid dynamics tools. Once the analysis tool has been defined, a first set of analysis has been developed to identify the main parameters affecting the green roof influence on the microclimate. In this analysis, two different scenarios are compared. A neighborhood with standard concrete tile roof and the same configuration substituting the concrete tile by an extensive green roof. Once the scenarios have been modeled, different iterations have been run to identify the influence of different wind patterns, solar exposure and roof vegetation type on the microclimate, since those are the most relevant variables affecting urban microclimates. These analysis have been run to check the conditions under which the effects of green roofs get significance. Since ENVI-met V4 is a predictive software, the first step has been the definition of the initial weather conditions which are then used as starting point by the software, which generates its own daily temperature and humidity profile based on the location of the building, geometry, vegetation and the surfaces physical characteristics. The base geometry used for this first analysis has been based on a typical urban layout structure located in Madrid, an orthogonal net with the main streets oriented East-West to ease the analysis of solar radiation in the different points of the model. This layout represents a typical urban neighborhood, with street canyons keeping an aspect ratio between 0.5 and 1 and high sky view factor to ensure correct sun access to the streets and buildings and work with typical wind flow patterns. Finally, the roof vegetation has been defined in terms of foliage density known as Leaf Area Density (LAD) and defined as the total one-sided leaf area per unit of layer volume. This index is the most relevant vegetation characteristic for the purpose of calculating the effect of vegetation on wind and solar radiation as well as the energy consumed during its metabolic processes. The building as usual (BAU) configuring the urban layout has been defined with standard concrete tile roofs, considering 0.3 albedo. Walls have been set with albedo 0.2 (typical brick wall construction) and adiabatic to avoid interference caused by thermal interchanges with the building indoor environment. For the proposed case, the same geometry and building characteristics have been kept. The only change is the roof surface coverage. The gravel on the roof has been changed with an extensive green roof covered with drought tolerant plants, typical in Madrid climate, and characterized by their LAD. The different scenarios analysed are based in the variation of the wind speed and the LAD of the roof. The results have been recorded under different sun exposure conditions. Simulations were run for the typical summer wind patterns, that for Madrid are characterized by South-west winds ranging from 3 to 0 m/s. Simulations were run for 3, 2, 1 and 0 m/s at urban canopy level. Results taken at 1.4 m above the ground showed that the green roof effect was lower with higher wind speeds and in any case the effect of the green roof on the air temperatures exceeded air temperature reductions higher than 1ºC. Relative humidity presented no variations when comparing the different scenarios. For the analysis at 0m/s, ENVI-met generated error and no results were obtained. Different simulations showed that under 0.5 m/s turbulence increased dramatically and the model became unstable and unable to produce reliable results. This is due to the turbulence model embedded in the software which is not valid for low wind speeds (below 1 m/s). The effect of the different foliage densities was also tested in the model. Three different alternatives were compared against the concrete roof: green roof with LAD 0.3 ( typical grass or sedum), 1.5 (typical mixed plants) and 2.5 (tree mass). The results showed very relevant temperature differences between the different LAD alternatives analyzed. Results show temperature variations ranging between 3 and 5 ºC when comparing the standard concrete roof with albedo 0, 3 with the vegetated roof and vegetated mass, showing the relevance of the LAD on the effects of green roofs on microclimate. This matches the data reported in existing literature and empirical studies and confirms the relevance of the LAD in the roof effect on the surrounding microclimate. The results of the theoretical analysis have reached the following initial conclusions related to both, the simulation tool and the model results: • In relation to the tool ENVI-met, some limitations for the analysis have been observed. In first place, the rigid structure of the geometry, the data bases and the grid size, limit the scale and resolution of the analysis not allowing the development of large urban areas. On the other hand the ENVI-met structure enables the development of this type of complex simulation within reasonable times and computational requirements for the purpose of this analysis. Additionally, the model is unable to run simulations at wind speeds lower than 0.5 m/s, and even at this speed, the results are not reliable because the turbulences generated by the model that made impossible to extract clear temperature differences between the concrete and green roof scenarios. Besides the above limitations, the wind patterns and temperature profiles generated by ENVImet are in agreement with previous analysis identifying wind patterns in urban canyons with similar characteristics and aspect ratio. Therefore the software has shown a good capacity for reproducing the wind effects in the street canyons and seems to capture the cooling effect produced by the green roof. • In relation to the model, the results reveals the influence of wind, radiation and LAD on air temperature in urban canyons with aspect ratio comprised between 0.5 and 1. Being the effect of the green roof more noticeable in shaded urban canyons with aspect ratio 1 and wind speeds of 1 m/s. In no case the reductions in air temperature exceeded 1ºC. Once the relevant parameters have been identified, mainly wind speed and LAD, an experimental analysis was conducted to test the results obtained by the model. For this purpose a large green roof was identified, able to represent the urban scale which is the object of the studio. The building identified for this purpose was the terminal 4, parking building of the international Madrid Airport. Even though this is not a standard urban area, the scale and configuration of the space around the building were deemed as acceptable for the analysis. The building is an 800x200 m, 15 m height parking building, surrounded by access paved paths and the terminal building. The parking is enclosed with facades that configure an urban canyon-like space, although the aspect ratio is lower than 0.5 and the wind patterns might differ from the theoretical model run. The building features the largest green roof in Europe, a 12 Ha extensive green roof populated with a mix of herbs and sedum with a LAD of 1.5. The buildings are surrounded by planted areas at the sidewalk and trees shading the main building facades. Green roof performance was evaluated by monitoring temperatures and relative humidity in the canyon in a typical summer day. The day selection was done taking into account meteorological predictions so the weather conditions on the measurement day were as close as possible as the optimal conditions identified in terms of green roof effects on the urban canyon. July 9th 2014 was selected for the measurement campaign because the predictions showed 1 m/s wind speed and sunny sky, which were very similar to the weather conditions where the effect of the green roof was most noticeable in the theory model. Measurements were registered hourly from 9:00am to 19:00 on July 9th 2014. Temperature, relative humidity and wind speed were recorded at 5 different levels, at 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 and 16 m above ground and at 0.5 m distance from the building façade. Measurements were taken in three different scenarios, sunny exposure, shaded exposure, and shaded exposure influenced by nearby trees and moist soil. Temperature, relative humidity and wind speed were registered using a TESTO 410-2 anemometer, with 0.1ºC resolution for temperature, 0.1 m/s resolution for wind speed and 0.1 % for relative humidity. Surface temperatures were registered using an infrared camera FLIR E4, with temperature resolution 0.15ºC. Minimal distance to surface of 0.5 m and Tª measurements range from -20ºC and 250ºC. The temperature profiles measured on the site showed the influence of solar exposure on the temperature variations along the day, as well as the influence of the heat irradiated by the building surfaces which had been exposed to the sun radiation and those influenced by the moist soft areas around the building. After the measurements were taken, the following simulations were conducted to evaluate the impact of the green roof on the microclimate: a. Standard roof: T4 building assuming a concrete tile roof with albedo 0.3. b. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with low LAD value (0.5)-Simple Sedum roof. c. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with high LAD value 1.5- Lucerne and grasses d. Green roof plus street level vegetation: T4 Building, LAD 1.5 (Lucerne), including the existing trees at street level. This scenario represents the current conditions of the building. The urban canopy wind was set as 1 m/s, the wind speed register at that level during the measurement campaign. This wind speed remained constant over the whole campaign. Under the above conditions, the results of the models show a moderate effect of green roofs on the surrounding microclimate ranging from 1ºC to 2ºC, but a larger contribution when combining it with vegetation at pedestrian level, where 4ºC temperature reductions are reached. Relative humidity remained constant. Measured temperatures and relative humidity were compared to model results, showing a close match in the profiles defined in both cases and the good capacity of ENVI met to capture the impact of the green roof in this analysis. The largest differences were registered in the areas close to the top areas of the facades which were more exposed to sun radiation and also near to the soil level. These differences might be caused by differences between the materials properties included in the model (which were limited by the data available in the software database) and those in the real building. An important observation derived from this study is the contribution of moist soil to the green roof effect on air temperatures. In the green roof scenario with surrounding trees, the effect of the moist soil contributes to raise the temperature reductions at 4.5ºC. A final analysis was conducted after extracting the hourly temperature profile in the street canyon influenced by the effect of green roofs and trees. An energy model was run on the building assuming it was a conventional enclosed building. Energy demand reductions were registered in the building reaching up to 14% reductions at the peak hour. The main conclusion of this study is the potential of the green roofs as a strategy for reducing air temperatures and energy consumption in the buildings, although this effect can be limited by the influence of high speed winds. This effect can be enhanced its combination with urban forests and even more if soft moist pavements are included in the urban canyon morphology, becoming a potential strategy for adapting urban ecosystems to the increasing temperature effect derived from climate change.

Simulation of Freight Trains Equipped with Partially Filled Tank Containers and Related Resonance Phenomenon

To study the fluid motion-vehicle dynamics interaction, a model of four, liquid filled two-axle container freight wagons was set up. The railway vehicle has been modelled as a multi-body system (MBS). To include fluid sloshing, an equivalent mechanical model has been developed and incorporated. The influence of several factors has been studied in computer simulations, such as track defects, curve negotiation, train velocity, wheel wear, liquid and solid wagonload, and container baffles. SIMPACK has been used for MBS analysis, and ANSYS for liquid sloshing modelling and equivalent mechanical systems validation. Acceleration and braking manoeuvres of the freight train set the liquid cargo into motion. This longitudinal sloshing motion of the fluid cargo inside the tanks initiated a swinging motion of some components of the coupling gear. The coupling gear consists of UIC standard traction hooks and coupling screws that are located between buffers. One of the coupling screws is placed in the traction hook of the opposite wagon thus joining the two wagons, whereas the unused coupling screw rests on a hanger. Simulation results showed that, for certain combinations of type of liquid, filling level and container dimensions, the liquid cargo could provoke an undesirable, although not hazardous, release of the unused coupling screw from its hanger. The coupling screw's release was especially obtained when a period of acceleration was followed by an abrupt braking manoeuvre at 1 m/s2. It was shown that a resonance effect between the liquid's oscillation and the coupling screw's rotary motion could be the reason for the coupling screw's undesired release. Possible solutions to avoid the phenomenon are given.Acceleration and braking manoeuvres of the freight train set the liquid cargo into motion. This longitudinal sloshing motion of the fluid cargo inside the tanks initiated a swinging motion of some components of the coupling gear. The coupling gear consists of UIC standard traction hooks and coupling screws that are located between buffers. One of the coupling screws is placed in the traction hook of the opposite wagon thus joining the two wagons, whereas the unused coupling screw rests on a hanger. This paper reports on a study of the fluid motion-train vehicle dynamics interaction. In the study, a model of four, liquid-filled two-axle container freight wagons was developed. The railway vehicle has been modeled as a multi-body system (MBS). To include fluid sloshing, an equivalent mechanical model has been developed and incorporated. The influence of several factors has been studied in computer simulations, such as track defects, curve negotiation, train velocity, wheel wear, liquid and solid wagonload, and container baffles. A simulation program was used for MBS analysis, and a finite element analysis program was used for liquid sloshing modeling and equivalent mechanical systems validation. Acceleration and braking maneuvers of the freight train set the liquid cargo into motion. This longitudinal sloshing motion of the fluid cargo inside the tanks initiated a swinging motion of some components of the coupling gear. Simulation results showed that, for certain combinations of type of liquid, filling level and container dimensions, the liquid cargo could provoke an undesirable, although not hazardous, release of an unused coupling screw from its hanger. It was shown that a resonance effect between the liquid's oscillation and the coupling screw's rotary motion could be the reason for the coupling screw's undesired release. Solutions are suggested to avoid the resonance problem, and directions for future research are given.

Laser Induced Heating of Group IV Nanowires

Semiconductor nanowires (NWs) are fundamental structures for nanoscale devices. The excitation of NWs with laser beams results in thermal effects that can substantially change the spectral shape of the spectroscopic data. In particular, the interpretation of the Raman spectrum is greatly influenced by excitation induced temperature. A study of the interaction of the NWs with the excitation laser beam is essential to interpret the spectra. We present herein a finite element analysis of the interaction between the laser beam and the NWs. The resultas are applied to the interpretation of the Raman spectrum of bundles of NWs

Performance optimization in switched reluctance motor drives

In this paper, switched reluctance motors (SRM) are proposed as an alternative for electric power assisted steering (EPAS) applications. A prototype machine has been developed as very attractive design for a steering electric motor, both from a cost and size perspective. A fourphase 8/6 SRM drive is designed for a rack type EPAS which should provide a maximum force of 10 kN. Two-dimension finite element analysis is used to validate the design.

La geoquímica de los sedimentos de llanuras de inundación como guía para la valoración ambiental en España

En la presente tesis se estudian los contenidos geoquímicos de los sedimentos de llanura de inundación en diversas cuencas fluviales seleccionadas con el objetivo de contribuir a un mejor conocimiento de sus condiciones medioambientales. En cada cuenca, se ha muestreado un perfil vertical de llanura de inundación, dividiéndolo en tramos que generalmente corresponden a diferentes episodios de inundación. Estos sedimentos se depositan durante los episodios de crecidas una vez que la corriente sobrepasa los límites del canal. Se caracterizan normalmente por tener un tamaño de grano fino y una estructura en capas horizontales que corresponden a los sucesivos episodios de inundación. Muestran dos ventajas principales con respecto a otros medios de muestreo en geoquímica como suelos o sedimentos de corriente: • Pueden almacenar sedimento antiguo así como actual, con lo que se puede estudiar la historia geoquímica de una zona específica en un mismo punto de muestreo (perfil vertical). • Los sedimentos de llanuras de inundación son capaces de caracterizar grandes áreas de drenaje. El origen de los sedimentos es más diverso que en el sedimento de corriente, debido a las mayores áreas de donde proceden las aguas de las avenidas. Las cuencas han sido seleccionadas según las actividades antropogénicas que en ellas se llevan a cabo, en concreto, actividades urbanas e industriales, minería y agricultura. Así mismo, se han estudiado, como referencia, dos cuencas donde no se espera encontrar ningún tipo de actividad contaminante. Una vez hecha la selección, los sedimentos aluviales de las cuencas se han estudiado cuidadosamente para asegurar que no existen depósitos de acreción lateral en el punto seleccionado. Posteriormente se ha procedido al muestreo del perfil vertical. Las muestras han sido analizadas mediante ICP-MS (ataque total) e INAA para conocer los contenidos totales de los elementos traza y mayoritarios. Los análisis de la fracción extraíble se han llevado a cabo mediante ICP-MS (ataque con agua regia). Así mismo, algunas muestras seleccionadas han sido sometidas a una extracción secuencial para un estudio más detallado. La presencia de materia orgánica ha sido estimada mediante el análisis de Carbono Orgánico Total (TOC). Finalmente, se ha llevado a cabo un análisis de isótopos de Pb en muestras escogidas en los perfiles, con el objetivo de hacer una evaluación ambiental. Los contenidos metálicos aumentan hacia la superficie en algunos de los perfiles, mientras en otros muestran una distribución muy constante exceptuando algún nivel específico con un aumento de los contenidos de la mayoría de los metales. Ha sido posible determinar la influencia de las actividades antropogénicas en algunos de los perfiles. Aquellos que pertenecen a cuencas mineras, urbanas o industrializadas muestran generalmente altos contenidos en elementos metálicos. Es el caso de los perfiles muestreados en los ríos Odiel y Tinto, Besaya, Besós y Manzanares. Algunos de estos perfiles pueden incluso correlacionarse con periodos de tiempo en los que ha tenido lugar una actividad antropogénica más intensa. Los perfiles que mejor se correlacionan con la actividad antropogénica de la cuenca son el perfil de Rivas en el río Manzanares (Madrid), que refleja un crecimiento de la contaminación producida por las actividades urbana e industrial en las últimas décadas, y el río Tinto, que muestra un crecimiento llamativo de los contenidos en su mayoría metálicos que puede estar relacionado con el incremento de la actividad minera que tuvo lugar hace aproximadamente 125 años. El análisis de los isótopos de Pb ha resultado ser una herramienta útil en la evaluación ambiental de estos sedimentos. Con este estudio y mediante la comparación con fuentes naturales y antropogénicas, ha sido posible diferenciar las muestras afectadas por diferentes fuentes de plomo, así como detectar las más afectadas antropogénicamente. ABSTRACT The geochemical composition of overbank sediments of some selected river basins is studied in this thesis in order to contribute to a better knowledge of the environmental conditions surrounding them. In each basin a vertical overbank profile has been sampled, dividing it into stretches that usually correspond to different flood events. The overbank sediments are those deposited during a flood event once the flow spills over the channel banks. They are usually characterized by a very fine grain size and a structure of horizontal layers, which correspond to successive flood events. These sediments show two main advantages regarding other sampling media in geochemistry, like soils or stream sediments: • They can store sediment deposited in the past as well as in current times, so that the history of a specific location can be studied at the very same point (vertical profile). • The overbank sediments are able to characterize a large drainage area. The origin of the sediment is wider than in the stream sediments due to the larger areas where the flood water comes from. The basins have been selected depending on the anthropogenic activities developed in them, namely, urban and industrial activities, mining activities and agricultural activities. As well, two pristine basins have been studied as a reference. Afterwards, the alluvial sediments in the basins have been carefully studied in order to sample a vertical profile and make sure that lateral accretion materials are not present in the profile. The samples have been analysed by ICP-MS (total digestion) and INAA to know the total contents of trace and major elements. Analysis of the mobile fraction has been carried out by ICP-MS (aqua regia); as well some of the samples have been subjected to sequential extraction for a more detailed study. The presence of organic matter has been estimated by the analysis of the Total Organic Carbon (TOC). Finally, a lead isotope analysis of some of the samples in the profiles was carried out in order to make an environmental assessment. Metal contents grow towards the surface in some of the profiles, while others show a very steady distribution, except for some of them with a growth of most of the metals in a specific level. XI It has been possible to determine the influence of the anthropogenic activities in some of the profiles. The ones that belong to mining and urban or industrialized basins show generally high contents of metal elements. This is the case of the profiles sampled in the Odiel and Tinto Rivers, the Besaya River, the Besós River and the Manzanares River. Some of these profiles can even correlate with the periods of time when a more intense activity in their respective basins has taken place. The profiles which best correlate with the anthropogenic activity are the Rivas profile in the Manzanares River, which reflects a growth of the pollution produced by urban and industrial activities in the city of Madrid in the last decades and the Tinto profile, which shows a very dramatic growth of the elemental contents (mostly metals) which can be related to the increase of the mining activities that took place in the last 125 years. The analysis of lead isotopes has turned out to be a powerful tool in the environmental assessment in this type of sediments. With this study and through the comparison with natural and anthropogenic sources, it has been possible to determine samples affected by different sources of lead and to detect the most anthropogenicaly affected ones.

Estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa. Parte III: ejemplo de simulación numérica

Publicamos la tercera parte y última de este artículo sobre estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa en el que, los autores, nos han ido exponiendo diferentes ejemplos. En esta ocasión, se pone patente que con el desarrollo de los ordenadores durante las últimas décadas se ha dado la posibilidad de utilizar el método de los elementos finitos (FEM: Finite Elements Method) para estudiar los efectos de una carga dinámica severa, como en el caso de las explosiones. A continuación se describe el uso del método para este tipo de situaciones de carga.

Determination of the mechanical properties of amorphous materials through instrumented nanoindentation

A novel methodology based on instrumented indentation is developed to determine the mechanical properties of amorphous materials which present cohesive-frictional behaviour. The approach is based on the concept of a universal hardness equation, which results from the assumption of a characteristic indentation pressure proportional to the hardness. The actual universal hardness equation is obtained from a detailed finite element analysis of the process of sharp indentation for a very wide range of material properties, and the inverse problem (i.e. how to extract the elastic modulus, the compressive yield strength and the friction angle) from instrumented indentation is solved. The applicability and limitations of the novel approach are highlighted. Finally, the model is validated against experimental data in metallic and ceramic glasses as well as polymers, covering a wide range of amorphous materials in terms of elastic modulus, yield strength and friction angle.

The role of residual stresses in the performance and durability of prestressing steel wires

Residual stresses developed during wire drawing influence the mechanical behavior and durability of steel wires used for prestressed concrete structures, particularly the shape of the stress–strain curve, stress relaxation losses, fatigue life, and environmental cracking susceptibility. The availability of general purpose finite element analysis tools and powerful diffraction techniques (X-rays and neutrons) has made it possible to predict and measure accurately residual stress fields in cold-drawn steel wires. Work carried out in this field in the past decade, shows the prospects and limitations of residual stress measurement, how the stress relaxation losses and environmentally-assisted cracking are correlated with the profile of residual stresses and how the performance of steel wires can be improved by modifying such a stress profile

Maximum Likelihood Estimation of Modal Parameters in Structures Using the Expectation Maximization Algorithm

This paper presents a time-domain stochastic system identification method based on maximum likelihood estimation (MLE) with the expectation maximization (EM) algorithm. The effectiveness of this structural identification method is evaluated through numerical simulation in the context of the ASCE benchmark problem on structural health monitoring. The benchmark structure is a four-story, two-bay by two-bay steel-frame scale model structure built in the Earthquake Engineering Research Laboratory at the University of British Columbia, Canada. This paper focuses on Phase I of the analytical benchmark studies. A MATLAB-based finite element analysis code obtained from the IASC-ASCE SHM Task Group web site is used to calculate the dynamic response of the prototype structure. A number of 100 simulations have been made using this MATLAB-based finite element analysis code in order to evaluate the proposed identification method. There are several techniques to realize system identification. In this work, stochastic subspace identification (SSI)method has been used for comparison. SSI identification method is a well known method and computes accurate estimates of the modal parameters. The principles of the SSI identification method has been introduced in the paper and next the proposed MLE with EM algorithm has been explained in detail. The advantages of the proposed structural identification method can be summarized as follows: (i) the method is based on maximum likelihood, that implies minimum variance estimates; (ii) EM is a computational simpler estimation procedure than other optimization algorithms; (iii) estimate more parameters than SSI, and these estimates are accurate. On the contrary, the main disadvantages of the method are: (i) EM algorithm is an iterative procedure and it consumes time until convergence is reached; and (ii) this method needs starting values for the parameters. Modal parameters (eigenfrequencies, damping ratios and mode shapes) of the benchmark structure have been estimated using both the SSI method and the proposed MLE + EM method. The numerical results show that the proposed method identifies eigenfrequencies, damping ratios and mode shapes reasonably well even in the presence of 10% measurement noises. These modal parameters are more accurate than the SSI estimated modal parameters.

Efectos dinámicos laterales en vehículos y puentes ferroviarios sometidos a la acción de vientos transversales

En las últimas décadas el aumento de la velocidad y la disminución del peso de los vehículos ferroviarios de alta velocidad ha provocado que aumente su riesgo de vuelco. Además, las exigencias de los trazados de las líneas exige en ocasiones la construcción de viaductos muy altos situados en zonas expuestas a fuertes vientos. Esta combinación puede poner en peligro la seguridad de la circulación. En esta tesis doctoral se estudian los efectos dinámicos que aparecen en los vehículos ferroviarios cuando circulan sobre viaductos en presencia de vientos transversales. Para ello se han desarrollado e implementado una serie de modelos numéricos que permiten estudiar estos efectos de una forma realista y general. Los modelos desarrollados permiten analizar la interacción dinámica tridimensional tren-estructura, formulada mediante coordenadas absolutas en un sistema de referencia inercial, en un contexto de elementos _nitos no lineales. Mediante estos modelos se pueden estudiar de forma realista casos extremos como el vuelco o descarrilamiento de los vehículos. Han sido implementados en Abaqus, utilizando sus capacidades para resolver sistemas multi-cuerpo para el vehículo y elementos finitos para la estructura. La interacción entre el vehículo y la estructura se establece a través del contacto entre rueda y carril. Para ello, se han desarrollado una restricción, que permite establecer la relación cinemática entre el eje ferroviario y la vía, teniendo en cuenta los posibles defectos geométricos de la vía; y un modelo de contacto rueda-carril para establecer la interacción entre el vehículo y la estructura. Las principales características del modelo de contacto son: considera la geometría real de ambos cuerpos de forma tridimensional; permite resolver situaciones en las que el contacto entre rueda y carril se da en más de una zona a la vez; y permite utilizar distintas formulaciones para el cálculo de la tensión tangencial entre ambos cuerpos. Además, se ha desarrollado una metodología para determinar, a partir de formulaciones estocásticas, las historias temporales de cargas aerodinámicas debidas al viento turbulento en estructuras grandes y con pilas altas y flexibles. Esta metodología tiene cuenta la variabilidad espacial de la velocidad de viento, considerando la correlación entre los distintos puntos; considera las componentes de la velocidad del viento en tres dimensiones; y permite el cálculo de la velocidad de viento incidente sobre los vehículos que atraviesan la estructura. La metodología desarrollada en este trabajo ha sido implementada, validada y se ha aplicado a un caso concreto en el que se ha estudiado la respuesta de un tren de alta velocidad, similar al Siemens Velaro, circulando sobre el viaducto del río Ulla en presencia viento cruzado. En este estudio se ha analizado la seguridad y el confort de la circulación y la respuesta dinámica de la estructura cuando el tren cruza el viaducto. During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-speed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometry During the last decades the increase of the speed and the reduction of the weight of high-peed railway vehicles has led to a rise of the overturn risk. In addition, the design requests of the railway lines require some times the construction of very tall viaducts in strong wind areas. This combination may endanger the traffic safety. In this doctoral thesis the dynamic effects that appear in the railway vehicles when crossing viaducts under strong winds are studied. For this purpose it has been developed and implemented numerical models for studying these effects in a realistic and general way. The developed models allow to analyze the train-structure three-dimensional dynamic interaction, that is formulated by using absolute coordinates in an inertial reference frame within a non-linear finite element framework. By means of these models it is possible to study in a realistic way extreme situations such vehicle overturn or derailment. They have been implemented for Abaqus, by using its capabilities for solving multi-body systems for the vehicle and finite elements for the structure. The interaction between the vehicle and the structure is established through the wheel-rail contact. For this purpose, a constraint has been developed. It allows to establish the kinematic relationship between the railway wheelset and the track, taking into account the track irregularities. In addition, a wheel-rail contact model for establishing the interaction of the vehicle and the structure has been developed. The main features of the contact model are: it considers the real geometry

Computational Methods for Identification of Vibrating Structures

System identification deals with the problem of building mathematical models of dynamical systems based on observed data from the system" [1]. In the context of civil engineering, the system refers to a large scale structure such as a building, bridge, or an offshore structure, and identification mostly involves the determination of modal parameters (the natural frequencies, damping ratios, and mode shapes). This paper presents some modal identification results obtained using a state-of-the-art time domain system identification method (data-driven stochastic subspace algorithms [2]) applied to the output-only data measured in a steel arch bridge. First, a three dimensional finite element model was developed for the numerical analysis of the structure using ANSYS. Modal analysis was carried out and modal parameters were extracted in the frequency range of interest, 0-10 Hz. The results obtained from the finite element modal analysis were used to determine the location of the sensors. After that, ambient vibration tests were conducted during April 23-24, 2009. The response of the structure was measured using eight accelerometers. Two stations of three sensors were formed (triaxial stations). These sensors were held stationary for reference during the test. The two remaining sensors were placed at the different measurement points along the bridge deck, in which only vertical and transversal measurements were conducted (biaxial stations). Point estimate and interval estimate have been carried out in the state space model using these ambient vibration measurements. In the case of parametric models (like state space), the dynamic behaviour of a system is described using mathematical models. Then, mathematical relationships can be established between modal parameters and estimated point parameters (thus, it is common to use experimental modal analysis as a synonym for system identification). Stable modal parameters are found using a stabilization diagram. Furthermore, this paper proposes a method for assessing the precision of estimates of the parameters of state-space models (confidence interval). This approach employs the nonparametric bootstrap procedure [3] and is applied to subspace parameter estimation algorithm. Using bootstrap results, a plot similar to a stabilization diagram is developed. These graphics differentiate system modes from spurious noise modes for a given order system. Additionally, using the modal assurance criterion, the experimental modes obtained have been compared with those evaluated from a finite element analysis. A quite good agreement between numerical and experimental results is observed.

Análisis del comportamiento en servicio de los puentes de fábrica ante las nuevas condiciones de explotación

Los puentes arco de fábrica representan una parte importante del inventario de puentes en España y en Europa. De aquí, la importancia cuantitativa de estas estructuras y el interés que representa tanto para las Administraciones, organismos públicos y privados como para la sociedad en general, mantener estos puentes en servicio. Para poder alargar su vida útil, aún más si cabe, se plantea imprescindible llevar a cabo una labor de conservación y mantenimiento adecuada. La importancia de la evaluación estructural de los puentes de fábrica se basa en la conveniencia de conocer el comportamiento estructural tanto en condiciones de servicio como en agotamiento. El comportamiento en Estado Límite Último ha sido estudiado en profundidad y como resultado, la seguridad frente a agotamiento ha quedado definida con cierta confianza. Sin embargo, el comportamiento en Estado Límite de Servicio no es tan conocido. Se considera necesaria una revisión del concepto de ELS en puentes arco de fábrica puesto que muchos de ellos, cumpliendo las comprobaciones establecidas para ELU, presentan daños asociados a las actuales condiciones de explotación existentes actuales. El presente trabajo se enmarca dentro de un proyecto que está llevando a cabo la UIC (Union Internationale de Chemins de Fer) desde 2004. El objetivo general del mismo es conocer el comportamiento de los puentes arco de fábrica y mejorar los métodos de evaluación, mantenimiento y reparación existentes. Con este estudio, se pretende contribuir a mejorar la caracterización del comportamiento en servicio de estas estructuras. Para ello se ha realizado un análisis del estado tensional de la bóveda y el relleno estudiando la influencia de la configuración geométrica de los puentes y las propiedades de los materiales que los componen. Entender el funcionamiento de estas estructuras y conocer sus peculiares características ha sido el paso previo al desarrollo del estudio. Para ello, se ha acudido al minucioso trabajo desarrollado por diversos autores, desde los primeros análisis mediante la línea de presiones hasta los actuales métodos basados en elementos finitos. En primer lugar, se ha realizado un estudio paramétrico de diferentes configuraciones geométricas. El objetivo es comprobar la influencia de las dimensiones absolutas y las relaciones existentes entre las mismas en el comportamiento en servicio de los puentes. A continuación, se ha estudiado la influencia de las propiedades mecánicas de los rellenos rígido y granular (modificando su módulo de deformabilidad) en el estado tensional de la bóveda y el propio relleno. Para las dos etapas anteriores se emplea un modelo simplificado de puente arco de fábrica. A continuación, se crea un modelo más completo del mismo, para estudiar la influencia de las propiedades mecánicas del substrato de cimentación en el comportamiento estructural en servicio de la estructura. El objetivo final de este trabajo fin de máster, es conocer el comportamiento en servicio de los puentes arco de fábrica, para poder establecer las variables que condicionan el mismo. El siguiente paso en este campo de estudio, consiste en fijar unos valores límite para las mismas. Como síntesis de las conclusiones obtenidas, se menciona que el comportamiento estructural de los puente arco de fábrica, en mayor o menor medida, está influenciado por su geometría y las propiedades de los rellenos y substrato de cimentación que forman parte del mismo. Masonry arch bridges represent an important part of the total bridges, both in Spain and Europe. For this reason, these structures are so important in terms of quantity. They play an essential role for public administration and people in general. In order to remain those bridges serviceable, suitable inspections and repairs are required. It is necessary to have knowledge of the bridge condition so that an assessment can be made with confidence. It is therefore necessary to check that bridges behave properly under Ultimate Limit State criterion and Serviceability Limit State criterion. ULS has been studied thoroughly and as result, requirements under collapse are well described. However, structural behaviour under conditions of serviceability is not well evaluated. Serviceability Limit State criterion should be redefined for masonry arch bridges assessment. This is because many bridges that fulfil SLS criterion have damages. The purpose of this work is to take part in the improvement of assessment under serviceability. A vault and fill structural behaviour analysis has been performed from two points of view: geometry of the bridge and materials’ properties. The starting point was learning about masonry arch bridges behaviour and their special features. For this task, a revision of several authors’ thorough study has been made, from the line of thrust analysis to the current finite element analysis. Firstly, a parametric study of typologies of bridge has been made. The aim is to know how vault and fill behaviour changes modifying both absolute dimensions and relation between them. In the next step, a study of both surface fill and backfill properties has been done. The aim is to know how vault and fill behaviour changes modifying Young’s modulus. The principal conclusion achieved along this work is that the structural behaviour of masonry bridges depends of the bridge geometry and its material properties.

Simulation, construction and characterization of a piezoelectric transducer using rexolite as acoustic matching

This article describes the simulation and characterization of an ultrasonic transducer using a new material called Rexolite to be used as a matching element. This transducer was simulated using a commercial piezoelectric ceramic PIC255 at 8 MHz. Rexolite, the new material, presents an excellent acoustic matching, specially in terms of the acoustic impedance of water. Finite elements simulations were used in this work. Rexolite was considered as a suitable material in the construction of the transducer due to its malleability and acoustic properties, to validate the simulations a prototype transducer was constructed. Experimental measurements were used to determine the resonance frequency of the prototype transducer. Simulated and experimental results were very similar showing that Rexolite may be an excellent matching, particularly for medical applications.

Modelización y simulación numérica de sistemas geotérmicos planos

En el presente proyecto se estudiará la conveniencia de utilizar simulación numérica para evaluar, diseñar y mejorar el diseño de instalaciones geotérmicas planas. Para ello, se modelizará el conjunto de terreno y sistema geotérmico mediante el acoplamiento de un modelo tridimensional (terreno) y un modelo unidimensional, formado por la red de tubería geotérmica, que estará dispuesta en un plano cuya orientación dependerá de las aplicaciones. Para la simulación numérica se utilizará un software de análisis y resolución por elementos finitos tipo comercial. Finalmente, se definirán unos parámetros geométricos de diseño y, teniendo en cuenta las propiedades térmicas de cada material, se realizarán estudios paramétricos para determinar la influencia de cada grupo de parámetros. Ello requerirá la realización de cientos de simulaciones numéricas que permitirán optimizar el rendimiento de sistemas geotérmicos planos tanto horizontales (soleras), como verticales (muros pantalla). ABSTRACT In this project it is going to be studied the convenience of numerical simulation as to evaluate, design and improve the design of geothermal planar installations. With this purpose, the terrain and the geothermal system will be modeled by coupling a three-dimensional model (terrain) and a one-dimensional model formed by the geothermal piping network disposed in a plane with an orientation which will depend on the applications. For the numerical simulation commercial software of analyzing and resolving by finite elements will be used. Finally, geometric design parameters will be defined, and taking into account the thermal properties of each material, parametric studies will be performed to determine the influence of each group of parameters. This will require the completion of hundreds of numerical simulations which will enhance the performance of both horizontal (slabs) and vertical (diaphragm walls) geothermal systems.

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.