The influence of sensor placement on in-situ ultrasound wave velocity measurement.

Ultrasound wave velocity was measured in 30 pieces of Spanish Scots pine (Pinus sylvestris L.), 90 x 140 mm in cross-section and 4 m long. Five different sensor placement arrangements were used: end to end (V0), face to opposite face, edge to opposite edge, face to same face and edge to same edge. The pieces were successively shortened to 3, 2 and 1 m, in order to obtain these velocities and their ratios to reference value V0 for different lengths and angles with respect to the piece axis for the crossed measurements. The velocity obtained in crossed measurements is lower than V0. A correction coefficient for crossed velocities is proposed, depending on the angle, to adjust them to the V0 benchmark. The velocities measured on a surface, are also lower than V0, and their ratio with respect to V0 is close to 0.97 for distances equal to or greater than 18 times the depth of the beam.

Diseño de un modelo para la identificación y análisis de tramos de carreteras sin accidentes : una nueva visión de la seguridad vial

El planteamiento tradicional de análisis de la accidentalidad en carretera pasa por la consideración de herramientas paliativas, como son la identificación y gestión de los puntos negros o tramos de concentración de accidentes, o preventivas, como las auditorías e inspecciones de seguridad vial. En esta tesis doctoral se presenta un planteamiento complementario a estas herramientas, desde una perspectiva novedosa: la consideración de los tramos donde no se producen accidentes; son los denominados Tramos Blancos. La tesis persigue demostrar que existen determinados parámetros del diseño de las carreteras y del tráfico que, bajo características generales similares de las vías, tienen influencia en el hecho de que se produzcan o no accidentes, adicionalmente a la exposición al riesgo, como factor principal, y a otros factores. La propia definición de los Tramos Blancos, entendidos como tramos de carreteras de longitud representativa donde no se han producido accidentes con víctimas mortales o heridos graves durante un periodo largo de tiempo, garantiza que esta situación no se produzca como consecuencia de la aleatoriedad de los accidentes, sino que pudiera deberse a una confluencia específica de determinados parámetros de la geometría de la vía y del tráfico total y de vehículos pesados. Para el desarrollo de esta investigación se han considerado la red de autopistas de peaje y las carreteras convencionales de la Red del Estado de España, que supone un total de 17.000 kilómetros, y los datos de accidentes con víctimas mortales y heridos graves en el periodo 2006-2010, ambos incluidos, en estas redes (un total de 10.000 accidentes). La red viaria objeto de análisis supone el 65% de la longitud de la Red de Carreteras del Estado, por la que circula el 33% de su tráfico; en ella se produjeron en el año 2013 el 47% de los accidentes con víctimas y el 60% de las víctimas mortales de la Red de Carreteras del Estado. Durante la investigación se ha desarrollado una base de datos de 250.130 registros y más de 3.5 millones de datos en el caso de las autopistas de peaje de la Red de Carreteras del Estado y de 935.402 registros y más de 14 millones de datos en el caso de la red convencional del Estado analizada. Tanto las autopistas de peaje como las carreteras convencionales han sido clasificadas según sus características de tráfico, de manera que se valoren vías con nivel de exposición al riesgo similar. Para cada tipología de vía, se ha definido como longitud de referencia para que un tramo se considere Tramo Blanco la longitud igual al percentil 95 de las longitudes de tramos sin accidentes con heridos graves o víctimas mortales durante el periodo 2006-2010. En el caso de las autopistas de peaje, en la tipología que ha sido considerada para la definición del modelo, esta longitud de referencia se estableció en 14.5 kilómetros, mientras que en el caso de las carreteras convencionales, se estableció en 7.75 kilómetros. Para cada uno de los tipos de vía considerados se han construido una base de datos en la que se han incluido las variables de existencia o no de Tramo Blanco, así como las variables de tráfico (intensidad media diaria total, intensidad de vehículos pesados y porcentaje de vehículos pesados ), la velocidad media y las variables de geometría (número de carriles, ancho de carril, ancho de arcén derecho e izquierdo, ancho de calzada y plataforma, radio, peralte, pendiente y visibilidad directa e inversa en los casos disponibles); como variables adicionales, se han incluido el número de accidentes con víctimas, los fallecidos y heridos graves, índices de peligrosidad, índices de mortalidad y exposición al riesgo. Los trabajos desarrollados para explicar la presencia de Tramos Blancos en la red de autopistas de peaje han permitido establecer las diferencias entre los valores medios de las variables de tráfico y diseño geométrico en Tramos Blancos respecto a tramos no blancos y comprobar que estas diferencias son significativas. Así mismo, se ha podido calibrar un modelo de regresión logística que explica parcialmente la existencia de Tramos Blancos, para rangos de tráfico inferiores a 10.000 vehículos diarios y para tráficos entre 10.000 y 15.000 vehículos diarios. Para el primer grupo (menos de 10.000 vehículos al día), las variables que han demostrado tener una mayor influencia en la existencia de Tramo Blanco son la velocidad media de circulación, el ancho de carril, el ancho de arcén izquierdo y el porcentaje de vehículos pesados. Para el segundo grupo (entre 10.000 y 15.000 vehículos al día), las variables independientes más influyentes en la existencia de Tramo Blanco han sido la velocidad de circulación, el ancho de calzada y el porcentaje de vehículos pesados. En el caso de las carreteras convencionales, los diferentes análisis realizados no han permitido identificar un modelo que consiga una buena clasificación de los Tramos Blancos. Aun así, se puede afirmar que los valores medios de las variables de intensidad de tráfico, radio, visibilidad, peralte y pendiente presentan diferencias significativas en los Tramos Blancos respecto a los no blancos, que varían en función de la intensidad de tráfico. Los resultados obtenidos deben considerarse como la conclusión de un análisis preliminar, dado que existen otros parámetros, tanto de diseño de la vía como de la circulación, el entorno, el factor humano o el vehículo que podrían tener una influencia en el hecho que se analiza, y no se han considerado por no disponer de esta información. En esta misma línea, el análisis de las circunstancias que rodean al viaje que el usuario de la vía realiza, su tipología y motivación es una fuente de información de interés de la que no se tienen datos y que permitiría mejorar el análisis de accidentalidad en general, y en particular el de esta investigación. Adicionalmente, se reconocen limitaciones en el desarrollo de esta investigación, en las que sería preciso profundizar en el futuro, reconociendo así nuevas líneas de investigación de interés. The traditional approach to road accidents analysis has been based in the use of palliative tools, such as black spot (or road sections) identification and management, or preventive tools, such as road safety audits and inspections. This thesis shows a complementary approach to the existing tools, from a new perspective: the consideration of road sections where no accidents have occurred; these are the so-called White Road Sections. The aim of this thesis is to show that there are certain design parameters and traffic characteristics which, under similar circumstances for roads, have influence in the fact that accidents occur, in addition to the main factor, which is the risk exposure, and others. White Road Sections, defined as road sections of a representative length, where no fatal accidents or accidents involving serious injured have happened during a long period of time, should not be a product of randomness of accidents; on the contrary, they might be the consequence of a confluence of specific parameters of road geometry, traffic volumes and heavy vehicles traffic volumes. For this research, the toll motorway network and single-carriageway network of the Spanish National Road Network have been considered, which is a total of 17.000 kilometers; fatal accidents and those involving serious injured from the period 2006-2010 have been considered (a total number of 10.000 accidents). The road network covered means 65% of the total length of the National Road Network, which allocates 33% of traffic volume; 47% of accidents with victims and 60% of fatalities happened in these road networks during 2013. During the research, a database of 250.130 registers and more than 3.5 million data for toll motorways and 935.042 registers and more than 14 million data for single carriageways of the National Road Network was developed. Both toll motorways and single-carriageways have been classified according to their traffic characteristics, so that the analysis is performed over roads with similar risk exposure. For each road type, a reference length for White Road Section has been defined, as the 95 percentile of all road sections lengths without accidents (with fatalities or serious injured) for 2006-2010. For toll motorways, this reference length concluded to be 14.5 kilometers, while for single-carriageways, it was defined as 7.75 kilometers. A detailed database was developed for each type of road, including the variable “existence of White Road Section”, as well as variables of traffic (average daily traffic volume, heavy vehicles average daily traffic and percentage of heavy vehicles from the total traffic volume), average speed and geometry variables (number of lanes, width of lane, width of shoulders, carriageway width, platform width, radius, superelevation, slope and visibility); additional variables, such as number of accidents with victims, number of fatalities or serious injured, risk and fatality rates and risk exposure, have also been included. Research conducted for the explanation of the presence of White Road Sections in the toll motorway network have shown statistically significant differences in the average values of variables of traffic and geometric design in White Road Sections compared with other road sections. In addition, a binary logistic model for the partial explanation of the presence of White Road Sections was developed, for traffic volumes lower than 10.000 daily vehicles and for those running from 10.000 to 15.000 daily vehicles. For the first group, the most influent variables for the presence of White Road Sections were the average speed, width of lane, width of left shoulder and percentage of heavy vehicles. For the second group, the most influent variables were found to be average speed, carriageway width and percentage of heavy vehicles. For single-carriageways, the different analysis developed did not reach a proper model for the explanation of White Road Sections. However, it can be assumed that the average values of the variables of traffic volume, radius, visibility, superelevation and slope show significant differences in White Road Sections if compared with others, which also vary with traffic volumes. Results obtained should be considered as a conclusion of a preliminary analysis, as there are other parameters, not only design-related, but also regarding traffic, environment, human factor and vehicle which could have an influence in the fact under research, but this information has not been considered in the analysis, as it was not available. In parallel, the analysis of the circumstances around the trip, including its typology and motivation is an interesting source of information, from which data are not available; the availability of this information would be useful for the improvement of accident analysis, in general, and for this research work, in particular. In addition, there are some limitations in the development of the research work; it would be necessary to develop an in-depth analysis in the future, thus assuming new research lines of interest.

Sistemas de gestión de puentes : optimización de estrategias de mantenimiento : implementación en redes locales de carreteras

En la actualidad, y en consonancia con la tendencia de “sostenibilidad” extendida a todos los campos y parcelas de la ciencia, nos encontramos con un área de estudio basado en la problemática del inevitable deterioro de las estructuras existentes, y la gestión de las acciones a realizar para mantener las condiciones de servicio de los puentes y prolongar su vida útil. Tal y como se comienza a ver en las inversiones en los países avanzados, con una larga tradición en el desarrollo de sus infraestructuras, se muestra claramente el nuevo marco al que nos dirigimos. Las nuevas tendencias van encaminadas cada vez más a la conservación y mantenimiento, reduciéndose las partidas presupuestarias destinadas a nuevas actuaciones, debido a la completa vertebración territorial que se ha ido instaurando en estos países, entre los que España se encuentra. Este nutrido patrimonio de infraestructuras viarias, que cuentan a su vez con un importante número de estructuras, hacen necesarias las labores de gestión y mantenimiento de los puentes integrantes en las mismas. Bajo estas premisas, la tesis aborda el estado de desarrollo de la implementación de los sistemas de gestión de puentes, las tendencias actuales e identificación de campos por desarrollar, así como la aplicación específica a redes de carreteras de escasos recursos, más allá de la Red Estatal. Además de analizar las diversas metodologías de formación de inventarios, realización de inspecciones y evaluación del estado de puentes, se ha enfocado, como principal objetivo, el desarrollo de un sistema específico de predicción del deterioro y ayuda a la toma de decisiones. Este sistema, adicionalmente a la configuración tradicional de criterios de formación de bases de datos de estructuras e inspecciones, plantea, de forma justificada, la clasificación relativa al conjunto de la red gestionada, según su estado de condición. Eso permite, mediante técnicas de optimización, la correcta toma de decisiones a los técnicos encargados de la gestión de la red. Dentro de los diversos métodos de evaluación de la predicción de evolución del deterioro de cada puente, se plantea la utilización de un método bilineal simplificado envolvente del ajuste empírico realizado y de los modelos markovianos como la solución más efectiva para abordar el análisis de la predicción de la propagación del daño. Todo ello explotando la campaña experimenta realizada que, a partir de una serie de “fotografías técnicas” del estado de la red de puentes gestionados obtenidas mediante las inspecciones realizadas, es capaz de mejorar el proceso habitual de toma de decisiones. Toda la base teórica reflejada en el documento, se ve complementada mediante la implementación de un Sistema de Gestión de Puentes (SGP) específico, adaptado según las necesidades y limitaciones de la administración a la que se ha aplicado, en concreto, la Dirección General de Carreteras de la Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha, para una muestra representativa del conjunto de puentes de la red de la provincia de Albacete, partiendo de una situación en la que no existe, actualmente, un sistema formal de gestión de puentes. Tras un meditado análisis del estado del arte dentro de los Capítulos 2 y 3, se plantea un modelo de predicción del deterioro dentro del Capítulo 4 “Modelo de Predicción del Deterioro”. De la misma manera, para la resolución del problema de optimización, se justifica la utilización de un novedoso sistema de optimización secuencial elegido dentro del Capítulo 5, los “Algoritmos Evolutivos”, en sus diferentes variantes, como la herramienta matemática más correcta para distribuir adecuadamente los recursos económicos dedicados a mantenimiento y conservación de los que esta administración pueda disponer en sus partidas de presupuesto a medio plazo. En el Capítulo 6, y en diversos Anexos al presente documento, se muestran los datos y resultados obtenidos de la aplicación específica desarrollada para la red local analizada, utilizando el modelo de deterioro y optimización secuencial, que garantiza la correcta asignación de los escasos recursos de los que disponen las redes autonómicas en España. Se plantea con especial interés la implantación de estos sistemas en la red secundaria española, debido a que reciben en los últimos tiempos una mayor responsabilidad de gestión, con recursos cada vez más limitados. Finalmente, en el Capítulo 7, se plantean una serie de conclusiones que nos hacen reflexionar de la necesidad de comenzar a pasar, en materia de gestión de infraestructuras, de los estudios teóricos y los congresos, hacia la aplicación y la práctica, con un planteamiento que nos debe llevar a cambios importantes en la forma de concebir la labor del ingeniero y las enseñanzas que se imparten en las escuelas. También se enumeran las aportaciones originales que plantea el documento frente al actual estado del arte. Se plantean, de la misma manera, las líneas de investigación en materia de Sistemas de Gestión de Puentes que pueden ayudar a refinar y mejorar los actuales sistemas utilizados. In line with the development of "sustainability" extended to all fields of science, we are faced with the inevitable and ongoing deterioration of existing structures, leading nowadays to the necessary management of maintaining the service conditions and life time extension of bridges. As per the increased amounts of money that can be observed being spent in the countries with an extensive and strong tradition in the development of their infrastructure, the trend can be clearly recognized. The new tendencies turn more and more towards conservation and maintenance, reducing programmed expenses for new construction activities, in line with the already wellestablished territorial structures, as is the case for Spain. This significant heritage of established road infrastructure, consequently containing a vast number of structures, imminently lead to necessary management and maintenance of the including bridges. Under these conditions, this thesis focusses on the status of the development of the management implementation for bridges, current trends, and identifying areas for further development. This also includes the specific application to road networks with limited resources, beyond the national highways. In addition to analyzing the various training methodologies, inventory inspections and condition assessments of bridges, the main objective has been the development of a specific methodology. This methodology, in addition to the traditional system of structure and inspection database training criteria, sustains the classification for the entire road network, according to their condition. This allows, through optimization techniques, for the correct decision making by the technical managers of the network. Among the various methods for assessing the evolution forecast of deterioration of each bridge, a simplified bilinear envelope adjustment made empirical method and Markov models as the most effective solution to address the analysis of predicting the spread of damage, arising from a "technical snapshot" obtained through inspections of the condition of the bridges included in the investigated network. All theoretical basis reflected in the document, is completed by implementing a specific Bridges Management System (BMS), adapted according to the needs and limitations of the authorities for which it has been applied, being in this case particularly the General Highways Directorate of the autonomous region of Castilla-La Mancha, for a representative sample of all bridges in the network in the province of Albacete, starting from a situation where there is currently no formal bridge management system. After an analysis of the state of the art in Chapters 2 and 3, a new deterioration prediction model is developed in Chapter 4, "Deterioration Prediction Model". In the same way, to solve the optimization problem is proposed the use of a singular system of sequential optimization elected under Chapter 5, the "Evolutionary Algorithms", the most suitable mathematical tool to adequately distribute the economic resources for maintenance and conservation for mid-term budget planning. In Chapter 6, and in the various appendices, data and results are presented of the developed application for the analyzed local network, from the optimization model, which guarantees the correct allocation of scarce resources at the disposal of authorities responsible for the regional networks in Spain. The implementation of these systems is witnessed with particular interest for the Spanish secondary network, because of the increasing management responsibility, with decreasing resources. Chapter 7 presents a series of conclusions that triggers to reconsider shifting from theoretical studies and conferences towards a practical implementation, considering how to properly conceive the engineering input and the related education. The original contributions of the document are also listed. In the same way, the research on the Bridges Management System can help evaluating and improving the used systematics.

Fatiga en CFRP: Caracterización y Método Óptico para la Estimación del Daño

El desarrollo de nuevas estructuras aeroespaciales optimizadas, utilizan materiales compuestos, para los componentes críticos y subsistemas, principalmente polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP). Un conocimiento profundo del estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP avanzado, es esencial para predecir la vida residual y optimizar los intervalos de inspección estructural, reparaciones y/o sustitución de componentes. Las técnicas actuales se basan principalmente en la medición de cargas estructurales a lo largo de la vida útil de la estructura mediante galgas extensométricas eléctricas. Con esos datos, se estima la vida a fatiga utilizando modelos de acumulación de daño. En la presente tesis, se evalúa la metodología convencional para la estimación de la vida a fatiga de un CFRP aeronáutico. Esta metodología está basada en la regla de acumulación de daño lineal de Palmgren-Miner, y es aplicada para determinar la vida a fatiga de estructuras sometidas a cargas de amplitud variable. Se ha realizado una campaña de ensayos con cargas de amplitud constante para caracterizar un CFRP aeronáutico a fatiga, obteniendo las curvas clásicas S-N, en diferentes relaciones de esfuerzo. Se determinaron los diagramas de vida constante, (CLD), también conocidos como diagramas de Goodman, utilizando redes neuronales artificiales debido a la ausencia de modelos coherentes para materiales compuestos. Se ha caracterizado la degradación de la rigidez debido al daño por fatiga. Se ha ensayado un segundo grupo de probetas con secuencias estandarizadas de cargas de amplitud variable, para obtener la vida a fatiga y la degradación de rigidez en condiciones realistas. Las cargas aplicadas son representativas de misiones de aviones de combate (Falstaff), y de aviones de transporte (Twist). La vida a fatiga de las probetas cicladas con cargas de amplitud variable, se comparó con el índice de daño teórico calculado en base a la regla de acumulación de daño lineal convencional. Los resultados obtenidos muestran predicciones no conservativas. Esta tesis también presenta el estudio y desarrollo, de una nueva técnica de no contacto para evaluar el estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP por medio de cambios de los parámetros de rugosidad. La rugosidad superficial se puede medir fácilmente en campo con métodos sin contacto, mediante técnicas ópticas tales como speckle y perfilómetros ópticos. En el presente estudio, se han medido parámetros de rugosidad superficial, y el factor de irregularidad de la superficie, a lo largo de la vida de las probetas cicladas con cargas de amplitud constante y variable, Se ha obtenido una buena tendencia de ajuste al correlacionar la magnitud de la rugosidad y el factor de irregularidad de la superficie con la degradación de la rigidez de las probetas fatigadas. Estos resultados sugieren que los cambios en la rugosidad superficial medida en zonas estratégicas de componentes y estructuras hechas de CFRP, podrían ser indicativas del nivel de daño interno debido a cargas de fatiga. Los resultados también sugieren que el método es independiente del tipo de carga de fatiga que ha causado el daño. Esto último hace que esta técnica de medición sea aplicable como inspección para una amplia gama de estructuras de materiales compuestos, desde tanques presurizados con cargas de amplitud constante, estructuras aeronáuticas como alas y colas de aeronaves cicladas con cargas de amplitud variable, hasta aplicaciones industriales como automoción, entre otros. ABSTRACT New optimized aerospace structures use composite materials, mainly carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), for critical components and subsystems. A strong knowledge of the fatigue state of highly advanced (CFRP) structures is essential to predict the residual life and optimize intervals of structural inspection, repairs, and/or replacements. Current techniques are based mostly on measurement of structural loads throughout the service life by electric strain gauge sensors. These sensors are affected by extreme environmental conditions and by fatigue loads in such a way that the sensors and their systems require exhaustive maintenance throughout system life. In the present thesis, the conventional methodology based on linear damage accumulation rules, applied to determine the fatigue life of structures subjected to variable amplitude loads was evaluated for an aeronautical CFRP. A test program with constant amplitude loads has been performed to obtain the classical S-N curves at different stress ratios. Constant life diagrams, CLDs, where determined by means of Artificial Neural Networks due to the absence of consistent models for composites. The stiffness degradation due to fatigue damage has been characterized for coupons under cyclic tensile loads. A second group of coupons have been tested until failure with a standardized sequence of variable amplitude loads, representative of missions for combat aircraft (Falstaff), and representative of commercial flights (Twist), to obtain the fatigue life and the stiffness degradation under realistic conditions. The fatigue life of the coupons cycled with variable amplitude loads were compared to the theoretical damage index calculated based on the conventional linear damage accumulation rule. The obtained results show non-conservative predictions. This thesis also presents the evaluation of a new non-contact technique to evaluate the fatigue damage state of CFRP structures by means of measuring roughness parameters to evaluate changes in the surface topography. Surface roughness can be measured easily on field with non-contact methods by optical techniques such as speckle and optical perfilometers. In the present study, surface roughness parameters, and the surface irregularity factor, have been measured along the life of the coupons cycled with constant and variable amplitude loads of different magnitude. A good agreement has been obtained when correlating the magnitude of the roughness and the surface irregularity factor with the stiffness degradation. These results suggest that the changes on the surface roughness measured in strategic zones of components and structures made of CFRP, could be indicative of the level of internal damage due to fatigue loads. The results also suggest that the method is independent of the type of fatigue load that have caused the damage. It makes this measurement technique applicable for a wide range of inspections of composite materials structures, from pressurized tanks with constant amplitude loads, to variable amplitude loaded aeronautical structures like wings and empennages, up to automotive and other industrial applications.

Application of the dynamic models to the detection of imperfections in plate Structures

This paper is part of a set of publications related with the development of mathematical models aimed to simulate the dynamic input and output of experimental nondestructive tests in order to detect structural imperfections. The structures to be considered are composed by steel plates of thin thickness. The imperfections in these cases are cracks and they can penetrate either a significant part of the plate thickness or be micro cracks or superficial imperfections. The first class of cracks is related with structural safety and the second one is more connected to the structural protection to the environment, particularly if protective paintings can be deteriorated. Two mathematical groups of models have been developed. The first group tries to locate the position and extension of the imperfection of the first class of imperfections, i.e. cracks and it is the object of the present paper. Bending Kirchoff thin plate models belong to this first group and they are used to this respect. The another group of models is dealt with membrane structures under the superficial Rayleigh waves excitation. With this group of models the micro cracks detection is intended. In the application of the first group of models to the detection of cracks, it has been observed that the differences between the natural frequencies of the non cracked and the cracked structures are very small. However, geometry and crack position can be identified quite accurately if this comparison is carried out between first derivatives (mode rotations) of the natural modes are used instead. Finally, in relation with the analysis of the superficial crack existence the use of Rayleigh waves is very promising. The geometry and the penetration of the micro crack can be detected very accurately. The mathematical and numerical treatment of the generation of these Rayleigh waves present and a numerical application has been shown.