Experimental and numerical analysis of reinforced concrete elements subjected to blast loading

El hormigón es uno de los materiales de construcción más empleados en la actualidad debido a sus buenas prestaciones mecánicas, moldeabilidad y economía de obtención, entre otras ventajas. Es bien sabido que tiene una buena resistencia a compresión y una baja resistencia a tracción, por lo que se arma con barras de acero para formar el hormigón armado, material que se ha convertido por méritos propios en la solución constructiva más importante de nuestra época. A pesar de ser un material profusamente utilizado, hay aspectos del comportamiento del hormigón que todavía no son completamente conocidos, como es el caso de su respuesta ante los efectos de una explosión. Este es un campo de especial relevancia, debido a que los eventos, tanto intencionados como accidentales, en los que una estructura se ve sometida a una explosión son, por desgracia, relativamente frecuentes. La solicitación de una estructura ante una explosión se produce por el impacto sobre la misma de la onda de presión generada en la detonación. La aplicación de esta carga sobre la estructura es muy rápida y de muy corta duración. Este tipo de acciones se denominan cargas impulsivas, y pueden ser hasta cuatro órdenes de magnitud más rápidas que las cargas dinámicas impuestas por un terremoto. En consecuencia, no es de extrañar que sus efectos sobre las estructuras y sus materiales sean muy distintos que las que producen las cargas habitualmente consideradas en ingeniería. En la presente tesis doctoral se profundiza en el conocimiento del comportamiento material del hormigón sometido a explosiones. Para ello, es crucial contar con resultados experimentales de estructuras de hormigón sometidas a explosiones. Este tipo de resultados es difícil de encontrar en la literatura científica, ya que estos ensayos han sido tradicionalmente llevados a cabo en el ámbito militar y los resultados obtenidos no son de dominio público. Por otra parte, en las campañas experimentales con explosiones llevadas a cabo por instituciones civiles el elevado coste de acceso a explosivos y a campos de prueba adecuados no permite la realización de ensayos con un elevado número de muestras. Por este motivo, la dispersión experimental no es habitualmente controlada. Sin embargo, en elementos de hormigón armado sometidos a explosiones, la dispersión experimental es muy acusada, en primer lugar, por la propia heterogeneidad del hormigón, y en segundo, por la dificultad inherente a la realización de ensayos con explosiones, por motivos tales como dificultades en las condiciones de contorno, variabilidad del explosivo, o incluso cambios en las condiciones atmosféricas. Para paliar estos inconvenientes, en esta tesis doctoral se ha diseñado un novedoso dispositivo que permite ensayar hasta cuatro losas de hormigón bajo la misma detonación, lo que además de proporcionar un número de muestras estadísticamente representativo, supone un importante ahorro de costes. Con este dispositivo se han ensayado 28 losas de hormigón, tanto armadas como en masa, de dos dosificaciones distintas. Pero además de contar con datos experimentales, también es importante disponer de herramientas de cálculo para el análisis y diseño de estructuras sometidas a explosiones. Aunque existen diversos métodos analíticos, hoy por hoy las técnicas de simulación numérica suponen la alternativa más avanzada y versátil para el cálculo de elementos estructurales sometidos a cargas impulsivas. Sin embargo, para obtener resultados fiables es crucial contar con modelos constitutivos de material que tengan en cuenta los parámetros que gobiernan el comportamiento para el caso de carga en estudio. En este sentido, cabe destacar que la mayoría de los modelos constitutivos desarrollados para el hormigón a altas velocidades de deformación proceden del ámbito balístico, donde dominan las grandes tensiones de compresión en el entorno local de la zona afectada por el impacto. En el caso de los elementos de hormigón sometidos a explosiones, las tensiones de compresión son mucho más moderadas, siendo las tensiones de tracción generalmente las causantes de la rotura del material. En esta tesis doctoral se analiza la validez de algunos de los modelos disponibles, confirmando que los parámetros que gobiernan el fallo de las losas de hormigón armado ante explosiones son la resistencia a tracción y su ablandamiento tras rotura. En base a los resultados anteriores se ha desarrollado un modelo constitutivo para el hormigón ante altas velocidades de deformación, que sólo tiene en cuenta la rotura por tracción. Este modelo parte del de fisura cohesiva embebida con discontinuidad fuerte, desarrollado por Planas y Sancho, que ha demostrado su capacidad en la predicción de la rotura a tracción de elementos de hormigón en masa. El modelo ha sido modificado para su implementación en el programa comercial de integración explícita LS-DYNA, utilizando elementos finitos hexaédricos e incorporando la dependencia de la velocidad de deformación para permitir su utilización en el ámbito dinámico. El modelo es estrictamente local y no requiere de remallado ni conocer previamente la trayectoria de la fisura. Este modelo constitutivo ha sido utilizado para simular dos campañas experimentales, probando la hipótesis de que el fallo de elementos de hormigón ante explosiones está gobernado por el comportamiento a tracción, siendo de especial relevancia el ablandamiento del hormigón. Concrete is nowadays one of the most widely used building materials because of its good mechanical properties, moldability and production economy, among other advantages. As it is known, it has high compressive and low tensile strengths and for this reason it is reinforced with steel bars to form reinforced concrete, a material that has become the most important constructive solution of our time. Despite being such a widely used material, there are some aspects of concrete performance that are not yet fully understood, as it is the case of its response to the effects of an explosion. This is a topic of particular relevance because the events, both intentional and accidental, in which a structure is subjected to an explosion are, unfortunately, relatively common. The loading of a structure due to an explosive event occurs due to the impact of the pressure shock wave generated in the detonation. The application of this load on the structure is very fast and of very short duration. Such actions are called impulsive loads, and can be up to four orders of magnitude faster than the dynamic loads imposed by an earthquake. Consequently, it is not surprising that their effects on structures and materials are very different than those that cause the loads usually considered in engineering. This thesis broadens the knowledge about the material behavior of concrete subjected to explosions. To that end, it is crucial to have experimental results of concrete structures subjected to explosions. These types of results are difficult to find in the scientific literature, as these tests have traditionally been carried out by armies of different countries and the results obtained are classified. Moreover, in experimental campaigns with explosives conducted by civil institutions the high cost of accessing explosives and the lack of proper test fields does not allow for the testing of a large number of samples. For this reason, the experimental scatter is usually not controlled. However, in reinforced concrete elements subjected to explosions the experimental dispersion is very pronounced. First, due to the heterogeneity of concrete, and secondly, because of the difficulty inherent to testing with explosions, for reasons such as difficulties in the boundary conditions, variability of the explosive, or even atmospheric changes. To overcome these drawbacks, in this thesis we have designed a novel device that allows for testing up to four concrete slabs under the same detonation, which apart from providing a statistically representative number of samples, represents a significant saving in costs. A number of 28 slabs were tested using this device. The slabs were both reinforced and plain concrete, and two different concrete mixes were used. Besides having experimental data, it is also important to have computational tools for the analysis and design of structures subjected to explosions. Despite the existence of several analytical methods, numerical simulation techniques nowadays represent the most advanced and versatile alternative for the assessment of structural elements subjected to impulsive loading. However, to obtain reliable results it is crucial to have material constitutive models that take into account the parameters that govern the behavior for the load case under study. In this regard it is noteworthy that most of the developed constitutive models for concrete at high strain rates arise from the ballistic field, dominated by large compressive stresses in the local environment of the area affected by the impact. In the case of concrete elements subjected to an explosion, the compressive stresses are much more moderate, while tensile stresses usually cause material failure. This thesis discusses the validity of some of the available models, confirming that the parameters governing the failure of reinforced concrete slabs subjected to blast are the tensile strength and softening behaviour after failure. Based on these results we have developed a constitutive model for concrete at high strain rates, which only takes into account the ultimate tensile strength. This model is based on the embedded Cohesive Crack Model with Strong Discontinuity Approach developed by Planas and Sancho, which has proved its ability in predicting the tensile fracture of plain concrete elements. The model has been modified for its implementation in the commercial explicit integration program LS-DYNA, using hexahedral finite elements and incorporating the dependence of the strain rate, to allow for its use in dynamic domain. The model is strictly local and does not require remeshing nor prior knowledge of the crack path. This constitutive model has been used to simulate two experimental campaigns, confirming the hypothesis that the failure of concrete elements subjected to explosions is governed by their tensile response, being of particular relevance the softening behavior of concrete.

Laser Shock Processing influence on local properties and overall tensile behavior of friction stir welded joints

Based on laser beam intensities above 109 W/cm2 with pulse energy of several Joules and duration of nanoseconds, Laser Shock Processing (LSP) is capable of inducing a surface compressive residual stress field. The paper presents experimental results showing the ability of LSP to improve the mechanical strength and cracking resistance of AA2024-T351 friction stir welded (FSW) joints. After introducing the FSW and LSP procedures, the results of microstructural analysis and micro-hardness are discussed. Video Image Correlation was used to measure the displacement and strain fields produced during tensile testing of flat specimens; the local and overall tensile behavior of native FSW joints vs. LSP treated were analyzed. Further, results of slow strain rate tensile testing of the FSW joints, native and LSP treated, performed in 3.5% NaCl solution are presented. The ability of LSP to improve the structural behavior of the FSW joints is underscored.

Análisis de elementos de madera reforzados con materiales compuestos

Gran parte del patrimonio construido cuenta con edificios cuya estructura está compuesta por elementos de madera. El volumen económico que supone el mantenimiento y renovación de dicho patrimonio es considerable, por ello, es de especial interés el estudio de las diferentes técnicas de refuerzo aplicables a este tipo de estructuras. Las estructuras de madera han sido tradicionalmente reforzadas con piezas del mismo material, aumentando la sección de los elementos dañados, o con acero. La aparición de los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras, y su progresiva aplicación en obras de construcción, hizo que a principios de la década de los noventa se comenzara a aplicar este material en refuerzos de estructuras de madera (Puente de Sins, 1992). La madera es un material natural con una excelente relación entre sus características mecánicas y su peso. Con el uso de materiales compuestos como refuerzo ésta característica se mantiene. En cuanto a su modelo constitutivo, se admite un comportamiento elástico lineal a tracción paralela a la fibra hasta la rotura, mientras que a compresión, se considera un comportamiento lineal elástico inicial, seguido de un tramo plástico. En vigas de madera aserrada sometidas a flexión predomina el modo de fallo por tracción localizándose la fractura frecuentemente en el canto inferior. Los FRP tienen un comportamiento elástico lineal a tracción hasta la rotura y cuentan con excelentes propiedades mecánicas en relación a su peso y volumen. Si se refuerza la viga por el canto inferior se aumentará su capacidad de absorber tracciones y por tanto, es previsible que se produzca un incremento en la capacidad de carga, así como un aumento de ductilidad. En este trabajo se analizan los beneficios que aportan distintos sistemas de refuerzos de materiales compuestos. El objetivo es contribuir al conocimiento de esta técnica para la recuperación o aumento de las propiedades resistentes de elementos de madera sometidos a flexión. Se ha llevado a cabo un estudio basado en datos obtenidos experimentalmente mediante el ensayo a flexión de vigas de madera de pino silvestre reforzadas con materiales compuestos. Las fibras que componen los tejidos utilizados para la ejecución de los refuerzos son de basalto y de carbono. En el caso de los compuestos de fibra de basalto se aplican en distintos gramajes, y los de carbono en tejido unidireccional y bidireccional. Se analiza el comportamiento de las vigas según las variables de refuerzo aplicadas y se comparan con los resultados de vigas ensayadas sin reforzar. Además se comprueba el ajuste del modelo de cálculo no lineal aplicado para predecir la carga de rotura de cada viga reforzada. Con este trabajo queda demostrado el buen funcionamiento del FRP de fibra de basalto aplicado en el refuerzo de vigas de madera y de los tejidos de carbono bidireccionales con respecto a los unidireccionales. ABSTRACT Many of the buildings of the built heritage include a structure composed by timber elements. The economic volume involved in the maintenance and renewal of this built heritage is considerable, therefore, the study of the different reinforcement techniques applicable to this type of structure is of special interest. The wooden structures have traditionally been reinforced either with steel or with pieces of the same material, increasing the section of the damaged parts. The emergence of polymer composites reinforced with fibers, and their progressive use in construction, started to be applied as reinforcement in timber structures at the beginning of the nineties decade in the 20th century (Sins Bridge, 1992). Wood is a natural material with an excellent ratio between its mechanic characteristics and its weight. This feature is maintained with the use of composites as reinforcement. In terms of its constitutive model, linear elastic behavior parallel to the fiber up to fracture is admitted when subjected to tensile stress, while under compression, an initial linear elastic behavior, followed by a section plasticizing, is considered. In sawn timber beams subjected to bending, the predominant failure is mainly due to tensile stress; and frequently the fracture is located at the beam lower face. The FRP have a linear elastic behavior until fracture occurs, and have excellent mechanical properties in relation to their weight and volume. If the beam is reinforced by its lower face, its capacity to absorb tensile stresses will increase, and therefore, an increase in its carrying capacity is likely to be produced, as well as an increase in ductility. This work analyzes the benefits different reinforcement systems of composite materials provide, with the aim of contributing to the knowledge of this technique for recovering or increasing the strength properties of timber elements subjected to bending loads. It is a study based on data obtained experimentally using bending tests of pine timber beams reinforced with composite materials. Fibers used for the execution of the reinforcement are basalt and carbon. Basalt fiber composites are applied in different grammages, whereas with carbon composites, unidirectional and bidirectional fabrics are used. The behavior of the beams was analyzed regarding the reinforcement variables applied, and the results are compared with those of the tested beams without reinforcement. Furthermore it has been proved adjunting the nonlinear calculation model applied to predict the failure load of each reinforced beam. This work proves the good behavior of fiber reinforce plastic (FRP) with basalt fiber when applied to timber beams, and that of bidirectional carbon fabrics as opposed to the unidirectional ones.

Comportamiento estructural de elementos de fábrica reforzados con materiales compuestos avanzados solicitados a flexión y flexocompresión

El refuerzo de estructuras existentes mediante el encolado exterior de láminas de polímeros reforzados con fibras (FRP) se ha convertido en la aplicación más común de los materiales compuestos avanzados en construcción. Estos materiales presentan muchas ventajas frente a los materiales convencionales (sin corrosión, ligeros, de fácil aplicación, etc.). Pero a pesar de las numerosas investigaciones realizadas, aún persisten ciertas dudas sobre algunos aspectos de su comportamiento y las aplicaciones prácticas se llevan a cabo sólo con la ayuda de guías, sin que haya una normativa oficial. El objetivo de este trabajo es incrementar el conocimiento sobre esta técnica de refuerzo, y más concretamente, sobre el refuerzo a flexión de estructuras de fábrica. Con frecuencia el elemento reforzado es de hormigón armado y las láminas de FRP encoladas al exterior sirven para mejorar su resistencia a flexión, cortante o compresión (encamisados). Sin embargo su empleo en otros materiales como las estructuras de fábrica resulta muy prometedor. Las fábricas se caracterizan por soportar muy bien los esfuerzos de compresión pero bastante mal los de tracción. Adherir láminas de materiales compuestos puede servir para mejorar la capacidad resistente de elementos de fábrica sometidos a esfuerzos de flexión. Pero para ello, debe quedar garantizada una correcta adherencia entre el FRP y la fábrica, especialmente en edificios antiguos cuya superficie puede estar deteriorada por encontrarse a la intemperie o por el propio paso del tiempo. En el capítulo II se describen los objetivos fundamentales del trabajo y el método seguido. En el capítulo III se hace una amplia revisión del estado de conocimiento sobre el tema. En el apartado III.1 se detallan las principales características y propiedades mecánicas de fibras, matrices y materiales compuestos así como sus principales aplicaciones, haciendo especial hincapié en aspectos relativos a su durabilidad. En el apartado III.2 se incluye una revisión histórica de las líneas de investigación, tanto teóricas como empíricas, publicadas sobre estructuras de hormigón reforzadas a flexión encolando materiales compuestos. El apartado III.3 se centra en el aspecto fundamental de la adherencia refuerzo-soporte. Se hace un repaso a distintos modelos propuestos para prevenir el despegue distinguiendo si éste se inicia en la zona de anclaje o si está inducido por fisuras en la zona interior del elemento. Se observa falta de consenso en las propuestas. Además en este punto se relatan las campañas experimentales publicadas acerca de la adherencia entre materiales compuestos y fábricas. En el apartado III.4 se analizan las particularidades de las estructuras de fábrica. Además, se revisan algunas de las investigaciones relativas a la mejora de su comportamiento a flexión mediante láminas de FRP. El comportamiento mecánico de muros reforzados solicitados a flexión pura (sin compresión) ha sido documentado por varios autores, si bien es una situación poco frecuente en fábricas reales. Ni el comportamiento mecánico de muros reforzados solicitados a flexocompresión ni la incidencia que el nivel de compresión soportado por la fábrica tiene sobre la capacidad resistente del elemento reforzado han sido suficientemente tratados. En cuanto a los trabajos teóricos, las diferentes propuestas se basan en los métodos utilizados para hormigón armado y comparten los principios habituales de cálculo. Sin embargo, presentan diferencias relativas, sobre todo, a tres aspectos: 1) la forma de modelar el comportamiento de la fábrica, 2) el valor de deformación de cálculo del refuerzo, y 3) el modo de fallo que se considera recomendable buscar con el diseño. A pesar de ello, el ajuste con la parte experimental de cada trabajo suele ser bueno debido a una enorme disparidad en las variables consideradas. Cada campaña presenta un modo de fallo característico y la formulación que se propone resulta apropiada para él. Parece necesario desarrollar un método de cálculo para fábricas flexocomprimidas reforzadas con FRP que pueda ser utilizado para todos los posibles fallos, tanto atribuibles a la lámina como a la fábrica. En el apartado III.4 se repasan algunas lesiones habituales en fábricas solicitadas a flexión y se recogen ejemplos de refuerzos con FRP para reparar o prevenir estos daños. Para mejorar el conocimiento sobre el tema, se llevan a cabo dos pequeñas campañas experimentales realizadas en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja. La primera acerca de la adherencia de materiales compuestos encolados a fábricas deterioradas (apartado IV.1) y la segunda sobre el comportamiento estructural a flexocompresión de probetas de fábrica reforzadas con estos materiales (apartado IV.2). En el capítulo V se analizan algunos de los modelos de adherencia propuestos para prevenir el despegue del extremo del refuerzo. Se confirma que las predicciones obtenidas con ellos resultan muy dispares. Se recopila una base de datos con los resultados experimentales de campañas sobre adherencia de FRP a fábricas extraídas de la literatura y de los resultados propios de la campaña descrita en el punto IV.1. Esta base de datos permite conocer cual de los métodos analizados resulta más adecuado para dimensionar el anclaje de láminas de FRP adheridas a fábricas. En el capítulo VI se propone un método para la comprobación en agotamiento de secciones de fábrica reforzadas con materiales compuestos sometidas a esfuerzos combinados de flexión y compresión. Está basado en el procedimiento de cálculo de la capacidad resistente de secciones de hormigón armado pero adaptado a las fábricas reforzadas. Para ello, se utiliza un diagrama de cálculo tensión deformación de la fábrica de tipo bilineal (acorde con el CTE DB SE-F) cuya simplicidad facilita el desarrollo de toda la formulación al tiempo que resulta adecuado para predecir la capacidad resistente a flexión tanto para fallos debidos al refuerzo como a la fábrica. Además se limita la deformación de cálculo del refuerzo teniendo en consideración ciertos aspectos que provocan que la lámina adherida no pueda desarrollar toda su resistencia, como el desprendimiento inducido por fisuras en el interior del elemento o el deterioro medioambiental. En concreto, se propone un “coeficiente reductor por adherencia” que se determina a partir de una base de datos con 68 resultados experimentales procedentes de publicaciones de varios autores y de los ensayos propios de la campaña descrita en el punto IV.2. También se revisa la formulación propuesta con ayuda de la base de datos. En el capítulo VII se estudia la incidencia de las principales variables, como el axil, la deformación de cálculo del refuerzo o su rigidez, en la capacidad final del elemento. Las conclusiones del trabajo realizado y las posibles líneas futuras de investigación se exponen en el capítulo VIII. ABSTRACT Strengthening of existing structures with externally bonded fiber reinforced polymers (FRP) has become the most common application of advanced composite materials in construction. These materials exhibit many advantages in comparison with traditional ones (corrosion resistance, light weight, easy to apply, etc.). But despite countless researches have been done, there are still doubts about some aspects of their behaviour and applications are carried out only with the help of guidelines, without official regulations. The aim of this work is to improve the knowledge on this retrofitting technique, particularly in regard to flexural strengthening of masonry structures. Reinforced concrete is often the strengthened material and external glued FRP plates are used to improve its flexural, shear or compressive (by wrapping) capacity. However the use of this technique on other materials like masonry structures looks promising. Unreinforced masonry is characterized for being a good material to support compressive stresses but really bad to withstand tensile ones. Glue composite plates can improve the flexural capacity of masonry elements subject to bending. But a proper bond between FRP sheet and masonry must be ensured to do that, especially in old buildings whose surface can be damaged due to being outside or ageing. The main objectives of the work and the methodology carried out are described In Chapter II. An extensive overview of the state of art is done in Chapter III. In Section III.1 physical and mechanical properties of fibers, matrix and composites and their main applications are related. Durability aspects are especially emphasized. Section III.2 includes an historical overview of theoretical and empirical researches on concrete structures strengthened gluing FRP plates to improve their flexural behaviour. Section III.3 focuses on the critical point of bonding between FRP and substrate. Some theoretical models to prevent debonding of FRP laminate are reviewed, it has made a distinction between models for detachment at the end of the plate or debonding in the intermediate zones due to the effects of cracks. It is observed a lack of agreement in the proposals. Some experimental studies on bonding between masonry and FRP are also related in this chapter. The particular characteristics of masonry structures are analyzed in Section III.4. Besides some empirical and theoretical investigations relative to improve their flexural capacity with FRP sheets are reviewed. The mechanical behaviour of strengthened walls subject to pure bending (without compression) has been established by several authors, but this is an unusual situation for real masonry. Neither mechanical behaviour of walls subject to bending and compression nor influence of axial load in the final capacity of the strengthened element are adequately studied. In regard to theoretical studies, the different proposals are based on reinforced concrete analytical methods and share common design principles. However, they present differences, especially, about three aspects: 1) the constitutive law of masonry, 2) the value of ultimate FRP strain and 3) the desirable failure mode that must be looked for. In spite of them, a good agreement between each experimental program and its theoretical study is often exhibited due to enormous disparity in considered test parameters. Each experimental program usually presents a characteristic failure mode and the proposed formulation results appropriate for this one. It seems necessary to develop a method for FRP strengthened walls subject to bending and compression enable for all failure modes (due to FRP or masonry). Some common damages in masonry subject to bending are explained in Section III.4. Examples of FRP strengthening to repair or prevent these damages are also written. Two small experimental programs are carried out in Eduardo Torroja Institute to improve the knowledge on this topic. The first one is concerned about the bond between FRP plates and damaged masonry (section IV.1) and the second one is related to the mechanical behaviour of the strengthened masonry specimens subject to out of plane bending combined with axial force (section IV.2). In the Chapter V some bond models to prevent the debonding at the FRP plate end are checked. It is confirmed that their predictions are so different. A pure-shear test database is compiled with results from the existing literature and others from the experimental program described in section IV.1. This database lets know which of the considered model is more suitable to design anchorage lengths of glued FRP to masonry. In the Chapter VI a method to check unreinforced masonry sections with external FRP strengthening subject to bending and compression to the ultimate limit state is proposed. This method is based on concrete reinforced one, but it is adapted to strengthened masonry. A bilinear constitutive law is used for masonry (according to CTE DB SE-F). Its simplicity helps to develop the model formulation and it has proven to be suitable to predict bending capacity either for FRP failures or masonry crushing. With regard to FRP, the design strain is limited. It is taken into account different aspects which cause the plate can’t reach its ultimate strength, like intermediate FRP debonding induced by opening cracking or environmental damage. A “bond factor” is proposed. It is obtained by means of an experimental bending test database that includes 68 results from the existing literature and from the experimental program described in section IV.2. The proposed formulation has also been checked with the help of bending database. The effects of the main parameters, like axial load, FRP design effective strain or FRP stiffness, on the bending capacity of the strengthened element are studied in Chapter VII. Finally, the main conclusions from the work carried out are summarized in Chapter VIII. Future lines of research to be explored are suggested as well.

Design equations for reinforced concrete members strengthened in shear with external FRP reinforcement formulated in an evolutionary multi-objective framework

Methods for predicting the shear capacity of FRP shear strengthened RC beams assume the traditional approach of superimposing the contribution of the FRP reinforcing to the contributions from the reinforcing steel and the concrete. These methods become the basis for most guides for the design of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures. The variations among them come from the way they account for the effect of basic shear design parameters on shear capacity. This paper presents a simple method for defining improved equations to calculate the shear capacity of reinforced concrete beams externally shear strengthened with FRP. For the first time, the equations are obtained in a multiobjective optimization framework solved by using genetic algorithms, resulting from considering simultaneously the experimental results of beams with and without FRP external reinforcement. The performance of the new proposed equations is compared to the predictions with some of the current shear design guidelines for strengthening concrete structures using FRPs. The proposed procedure is also reformulated as a constrained optimization problem to provide more conservative shear predictions.

Análisis de micromovilidad en vástagos femorales mediante ensayo dinámico de oscilaciones libres

La artroplastia de cadera se considera uno de los mayores avances quirúrgicos de la Medicina. La aplicación de esta técnica de Traumatología se ha incrementado notablemente en los últimos anos, a causa principalmente del progresivo incremento de la esperanza de vida. En efecto, con la edad aumentan los problemas de artrosis y osteoporosis, enfermedades típicas de las articulaciones y de los huesos que requieren en muchos casos la sustitución protésica total o parcial de la articulación. El buen comportamiento funcional de una prótesis depende en gran medida de la estabilidad primaria, es decir, el correcto anclaje de la prótesis en el momento de su implantación. Las prótesis no cementadas basan su éxito a largo plazo en la osteointegración que tiene lugar entre el material protésico y el tejido óseo, y para lograrla es imprescindible conseguir unas buenas condiciones de estabilidad primaria. El aflojamiento aséptico es la principal causa de fallo de artroplastia total de cadera. Este es un fenómeno en el que, debido a complejas interacciones de factores mecánicos y biológicos, se producen movimientos relativos que comprometen la funcionalidad del implante. La minimización de los correspondientes danos depende en gran medida de la detección precoz del aflojamiento. Para lograr la detección temprana del aflojamiento aséptico del vástago femoral se han ensayado diferentes técnicas, tanto in vivo como in vitro: análisis numéricos y técnicas experimentales basadas en sensores de movimientos provocados por cargas transmitidas natural o artificialmente, tales como impactos o vibraciones de distintas frecuencias. Los montajes y procedimientos aplicados son heterogéneos y, en muchas ocasiones, complejos y costosos, no existiendo acuerdo sobre una técnica simple y eficaz de aplicación general. Asimismo, en la normativa vigente que regula las condiciones que debe cumplir una prótesis previamente a su comercialización, no hay ningún apartado referido específicamente a la evaluación de la bondad del diseño del vástago femoral con respecto a la estabilidad primaria. El objetivo de esta tesis es desarrollar una metodología para el análisis, in vitro, de la estabilidad de un vástago femoral implantado, a fin de poder evaluar las técnicas de implantación y los diferentes diseños de prótesis previamente a su oferta en el mercado. Además se plantea como requisito fundamental que el método desarrollado sea sencillo, reversible, repetible, no destructivo, con control riguroso de parámetros (condiciones de contorno de cargas y desplazamientos) y con un sistema de registro e interpretación de resultados rápido, fiable y asequible. Como paso previo, se ha realizado un análisis cualitativo del problema de contacto en la interfaz hueso-vástago aplicando una técnica optomecánica del campo continuo (fotoelasticidad). Para ello se han fabricado tres modelos en 2D del conjunto hueso-vástago, simulando tres tipos de contactos en la interfaz: contacto sin adherencia y con holgura, contacto sin adherencia y sin holgura, y contacto con adherencia y homogéneo. Aplicando la misma carga a cada modelo, y empleando la técnica de congelación de tensiones, se han visualizado los correspondientes estados tensionales, siendo estos más severos en el modelo de unión sin adherencia, como cabía esperar. En todo caso, los resultados son ilustrativos de la complejidad del problema de contacto y confirman la conveniencia y necesidad de la vía experimental para el estudio del problema. Seguidamente se ha planteado un ensayo dinámico de oscilaciones libres con instrumentación de sensores resistivos tipo galga extensométrica. Las muestras de ensayo han sido huesos fémur en todas sus posibles variantes: modelos simplificados, hueso sintético normalizado y hueso de cadáver, seco y fresco. Se ha diseñado un sistema de empotramiento del extremo distal de la muestra (fémur) con control riguroso de las condiciones de anclaje. La oscilación libre de la muestra se ha obtenido mediante la liberación instantánea de una carga estética determinada y aplicada previamente, bien con una maquina de ensayo o bien por gravedad. Cada muestra se ha instrumentado con galgas extensométricas convencionales cuya señal se ha registrado con un equipo dinámico comercial. Se ha aplicado un procedimiento de tratamiento de señal para acotar, filtrar y presentar las respuestas de los sensores en el dominio del tiempo y de la frecuencia. La interpretación de resultados es de tipo comparativo: se aplica el ensayo a una muestra de fémur Intacto que se toma de referencia, y a continuación se repite el ensayo sobre la misma muestra con una prótesis implantada; la comparación de resultados permite establecer conclusiones inmediatas sobre los efectos de la implantación de la prótesis. La implantación ha sido realizada por un cirujano traumatólogo utilizando las mismas técnicas e instrumental empleadas en el quirófano durante la práctica clínica real, y se ha trabajado con tres vástagos femorales comerciales. Con los resultados en el dominio del tiempo y de la frecuencia de las distintas aplicaciones se han establecido conclusiones sobre los siguientes aspectos: Viabilidad de los distintos tipos de muestras sintéticas: modelos simplificados y fémur sintético normalizado. Repetibilidad, linealidad y reversibilidad del ensayo. Congruencia de resultados con los valores teóricos deducidos de la teoría de oscilaciones libres de barras. Efectos de la implantación de tallos femorales en la amplitud de las oscilaciones, amortiguamiento y frecuencias de oscilación. Detección de armónicos asociados a la micromovilidad. La metodología se ha demostrado apta para ser incorporada a la normativa de prótesis, es de aplicación universal y abre vías para el análisis de la detección y caracterización de la micromovilidad de una prótesis frente a las cargas de servicio. ABSTRACT Total hip arthroplasty is considered as one of the greatest surgical advances in medicine. The application of this technique on Traumatology has increased significantly in recent years, mainly due to the progressive increase in life expectancy. In fact, advanced age increases osteoarthritis and osteoporosis problems, which are typical diseases of joints and bones, and in many cases require full or partial prosthetic replacement on the joint. Right functional behavior of prosthesis is highly dependent on the primary stability; this means it depends on the correct anchoring of the prosthesis at the time of implantation. Uncemented prosthesis base their long-term success on the quality of osseointegration that takes place between the prosthetic material and bone tissue, and to achieve this good primary stability conditions is mandatory. Aseptic loosening is the main cause of failure in total hip arthroplasty. This is a phenomenon in which relative movements occur, due to complex interactions of mechanical and biological factors, and these micromovements put the implant functionality at risk. To minimize possible damage, it greatly depends on the early detection of loosening. For this purpose, various techniques have been tested both in vivo and in vitro: numerical analysis and experimental techniques based on sensors for movements caused by naturally or artificially transmitted loads, such as impacts or vibrations at different frequencies. The assemblies and methods applied are heterogeneous and, in many cases, they are complex and expensive, with no agreement on the use of a simple and effective technique for general purposes. Likewise, in current regulations for governing the conditions to be fulfilled by the prosthesis before going to market, there is no specific section related to the evaluation of the femoral stem design in relation to primary stability. The aim of this thesis is to develop a in vitro methodology for analyzing the stability of an implanted femoral stem, in order to assess the implantation techniques and the different prosthesis designs prior to its offer in the market. We also propose as a fundamental requirement that the developed testing method should be simple, reversible, repeatable, non-destructive, with close monitoring of parameters (boundary conditions of loads and displacements) and with the availability of a register system to record and interpret results in a fast, reliable and affordable manner. As a preliminary step, we have performed a qualitative analysis of the contact problems in the bone-stem interface, through the application of a continuous field optomechanical technique (photoelasticity). For this proposal three 2D models of bone–stem set, has been built simulating three interface contact types: loosened an unbounded contact, unbounded and fixed contact, and bounded homogeneous contact. By means of applying the same load to each model, and using the stress freezing technique, it has displayed the corresponding stress states, being more severe as expected, in the unbounded union model. In any case, the results clearly show the complexity of the interface contact problem, and they confirm the need for experimental studies about this problem. Afterward a free oscillation dynamic test has been done using resistive strain gauge sensors. Test samples have been femur bones in all possible variants: simplified models, standardized synthetic bone, and dry and cool cadaveric bones. An embedding system at the distal end of the sample with strong control of the anchoring conditions has been designed. The free oscillation of the sample has been obtained by the instantaneous release of a static load, which was previously determined and applied to the sample through a testing machine or using the gravity force. Each sample was equipped with conventional strain gauges whose signal is registered with a marketed dynamic equipment. Then, it has applied a signal processing procedure to delimit, filter and present the time and frequency response signals from the sensors. Results are interpreted by comparing different trials: the test is applied to an intact femur sample which is taken as a reference, and then this test is repeated over the same sample with an implanted prosthesis. From comparison between results, immediate conclusions about the effects of the implantation of the prosthesis can be obtained. It must be said that the implementation has been made by an expert orthopedic surgeon using the same techniques and instruments as those used in clinical surgery. He has worked with three commercial femoral stems. From the results obtained in the time and frequency domains for the different applications the following conclusions have been established: Feasibility of the different types of synthetic samples: simplified models and standardized synthetic femur. Repeatability, linearity and reversibility of the testing method. Consistency of results with theoretical values deduced from the bars free oscillations theory. Effects of introduction of femoral stems in the amplitude, damping and frequencies of oscillations Detection of micromobility associated harmonics. This methodology has been proved suitable to be included in the standardization process of arthroplasty prosthesis, it is universally applicable and it allows establishing new methods for the analysis, detection and characterization of prosthesis micromobility due to functional loads.

Condicionantes de la adherencia y anclaje en el refuerzo de muros de fábrica con elementos de fibras

Es cada vez más frecuente la rehabilitación de patrimonio construido, tanto de obras deterioradas como para la adecuación de obras existentes a nuevos usos o solicitaciones. Se ha considerado el estudio del refuerzo de obras de fábrica ya que constituyen un importante número dentro del patrimonio tanto de edificación como de obra civil (sistemas de muros de carga o en estructuras principales porticadas de acero u hormigón empleándose las fábricas como cerramiento o distribución con elementos autoportantes). A la hora de reparar o reforzar una estructura es importante realizar un análisis de las deficiencias, caracterización mecánica del elemento y solicitaciones presentes o posibles; en el apartado 1.3 del presente trabajo se refieren acciones de rehabilitación cuando lo que se precisa no es refuerzo estructural, así como las técnicas tradicionales más habituales para refuerzo de fábricas que suelen clasificarse según se trate de refuerzos exteriores o interiores. En los últimos años se ha adoptado el sistema de refuerzo de FRP, tecnología con origen en los refuerzos de hormigón tanto de elementos a flexión como de soportes. Estos refuerzos pueden ser de láminas adheridas a la fábrica soporte (SM), o de barras incluidas en rozas lineales (NSM). La elección de un sistema u otro depende de la necesidad de refuerzo y tipo de solicitación predominante, del acceso para colocación y de la exigencia de impacto visual. Una de las mayores limitaciones de los sistemas de refuerzo por FRP es que no suele movilizarse la resistencia del material de refuerzo, produciéndose previamente fallo en la interfase con el soporte con el consecuente despegue o deslaminación; dichos fallos pueden tener un origen local y propagarse a partir de una discontinuidad, por lo que es preciso un tratamiento cuidadoso de la superficie soporte, o bien como consecuencia de una insuficiente longitud de anclaje para la transferencia de los esfuerzos en la interfase. Se considera imprescindible una caracterización mecánica del elemento a reforzar. Es por ello que el trabajo presenta en el capítulo 2 métodos de cálculo de la fábrica soporte de distintas normativas y también una formulación alternativa que tiene en cuenta la fábrica histórica ya que su caracterización suele ser más complicada por la heterogeneidad y falta de clasificación de sus materiales, especialmente de los morteros. Una vez conocidos los parámetros resistentes de la fábrica soporte es posible diseñar el refuerzo; hasta la fecha existe escasa normativa de refuerzos de FRP para muros de fábrica, consistente en un protocolo propuesto por la ACI 440 7R-10 que carece de mejoras por tipo de anclaje y aporta valores muy conservadores de la eficacia del refuerzo. Como se ha indicado, la problemática principal de los refuerzos de FRP en muros es el modo de fallo que impide un aprovechamiento óptimo de las propiedades del material. Recientemente se están realizando estudios con distintos métodos de anclaje para estos refuerzos, con lo que se incremente la capacidad última y se mantenga el soporte ligado al refuerzo tras la rotura. Junto con sistemas de anclajes por prolongación del refuerzo (tanto para láminas como para barras) se han ensayado anclajes con llaves de cortante, barras embebidas, o anclajes mecánicos de acero o incluso de FRP. Este texto resume, en el capítulo 4, algunas de las campañas experimentales llevadas a cabo entre los años 2000 y 2013 con distintos anclajes. Se observan los parámetros fundamentales para medir la eficacia del anclajes como son: el modo de fallo, el incremento de resistencia, y los desplazamientos que permite observar la ductilidad del refuerzo; estos datos se analizan en función de la variación de: tipo de refuerzo incluyéndose el tipo de fibra y sistema de colocación, y tipo de anclaje. Existen también parámetros de diseño de los propios anclajes. En el caso de barras embebidas se resumen en diámetro y material de la barra, acabado superficial, dimensiones y forma de la roza, tipo de adhesivo. En el caso de anclajes de FRP tipo pasador la caracterización incluye: tipo de fibra, sistema de fabricación del anclajes y diámetro del mismo, radio de expansión del abanico, espaciamiento longitudinal de anclajes, número de filas de anclajes, número de láminas del refuerzo, longitud adherida tras el anclaje; es compleja la sistematización de resultados de los autores de las campañas expuestas ya que algunos de estos parámetros varían impidiendo la comparación. El capítulo 5 presenta los ensayos empleados para estas campañas de anclajes, distinguiéndose entre ensayos de modo I, tipo tracción directa o arrancamiento, que servirían para sistemas NSM o para cuantificar la resistencia individual de anclajes tipo pasador; ensayos de modo II, tipo corte simple, que se asemeja más a las condiciones de trabajo de los refuerzos. El presente texto se realiza con objeto de abrir una posible investigación sobre los anclajes tipo pasador, considerándose que junto con los sistemas de barra embebida son los que permiten una mayor versatilidad de diseño para los refuerzos de FRP y siendo su eficacia aún difícil de aislar por el número de parámetros de diseño. Rehabilitation of built heritage is becoming increasingly frequent, including repair of damaged works and conditioning for a new use or higher loads. In this work it has been considered the study of masonry wall reinforcement, as most buildings and civil works have load bearing walls or at least infilled masonry walls in concrete and steel structures. Before repairing or reinforcing an structure, it is important to analyse its deficiencies, its mechanical properties and both existing and potential loads; chapter 1, section 4 includes the most common rehabilitation methods when structural reinforcement is not needed, as well as traditional reinforcement techniques (internal and external reinforcement) In the last years the FRP reinforcement system has been adopted for masonry walls. FRP materials for reinforcement were initially used for concrete pillars and beams. FRP reinforcement includes two main techniques: surface mounted laminates (SM) and near surface mounted bars (NSM); one of them may be more accurate according to the need for reinforcement and main load, accessibility for installation and aesthetic requirements. One of the main constraints of FRP systems is not reaching maximum load for material due to premature debonding failure, which can be caused by surface irregularities so surface preparation is necessary. But debonding (or delamination for SM techniques) can also be a consequence of insufficient anchorage length or stress concentration. In order to provide an accurate mechanical characterisation of walls, chapter 2 summarises the calculation methods included in guidelines as well as alternative formulations for old masonry walls as historic wall properties are more complicated to obtain due to heterogeneity and data gaps (specially for mortars). The next step is designing reinforcement system; to date there are scarce regulations for walls reinforcement with FRP: ACI 440 7R-10 includes a protocol without considering the potential benefits provided by anchorage devices and with conservative values for reinforcement efficiency. As noted above, the main problem of FRP masonry walls reinforcement is failure mode. Recently, some authors have performed studies with different anchorage systems, finding that these systems are able to delay or prevent debonding . Studies include the following anchorage systems: Overlap, embedded bars, shear keys, shear restraint and fiber anchors. Chapter 4 briefly describes several experimental works between years 2000 and 2013, concerning different anchorage systems. The main parameters that measure the anchorage efficiency are: failure mode, failure load increase, displacements (in order to evaluate the ductility of the system); all these data points strongly depend on: reinforcement system, FRP fibers, anchorage system, and also on the specific anchorage parameters. Specific anchorage parameters are a function of the anchorage system used. The embedded bar system have design variables which can be identified as: bar diameter and material, surface finish, groove dimensions, and adhesive. In FRP anchorages (spikes) a complete design characterisation should include: type of fiber, manufacturing process, diameter, fan orientation, anchor splay width, anchor longitudinal spacing and number or rows, number or FRP sheet plies, bonded length beyond anchorage devices,...the parameters considered differ from some authors to others, so the comparison of results is quite complicated. Chapter 5 includes the most common tests used in experimental investigations on bond-behaviour and anchorage characterisation: direct shear tests (with variations single-shear and double-shear), pullout tests and bending tests. Each of them may be used according to the data needed. The purpose of this text is to promote further investigation of anchor spikes, accepting that both FRP anchors and embedded bars are the most versatile anchorage systems of FRP reinforcement and considering that to date its efficiency cannot be evaluated as there are too many design uncertainties.

Study of concrete cracking during accelerated corrosion tests in reinforced concrete

Cracking of reinforced concrete can occur in certain environments due to rebar corrosion. The oxide layer growing around the bars introduces a pressure which may be enough to lead to the fracture of concrete. To study such an effect, the results of accelerated corrosion tests and finite ele- ment simulations are combined in this work. In previous works, a numerical model for the expansive layer, called expansive joint element , was programmed by the authors to reproduce the effect of the oxide over the concrete. In that model, the expansion of the oxide layer in stress free conditions is simulated as an uniform expansion perpendicular to the steel surface. The cracking of concrete is simulated by means of finite elements with an embedded adaptable cohesive crack that follow the standard cohesive model. In the present work, further accelerated tests with imposed constant cur- rent have been carried out on the same type of specimens tested in previous works (with an embedded steel tube), while measuring, among other things, the main-crack mouth opening. Then, the tests have been numerically simulated using the expansive joint element and the tube as the corroding electrode (rather than a bar). As a result of the comparison of numerical and experimental results, both for the crack mouth opening and the crack pattern, new insight is gained into the behavior of the oxide layer. In particular, quantitative assessment of the oxide expansion relation is deduced from the ex- periments, and a narrower interval for the shear stiffness of the oxide layer is obtained, which could not be achieved using bars as the corroding element, because in that case the numerical results were insensitive to the shear stiffness of the oxide layer within many orders of magnitude

Effect of strain and magnetic field on the critical current and electric resistance of the joints between HTS coated conductors

Engineering of devices and systems such as magnets, fault current limiters or cables, based on High Temperature Superconducting wires requires a deep characterization of the possible degradation of their properties by handling at room temperature as well as during the service life thus establishing the limits for building up functional devices and systems. In the present work we report our study regarding the mechanical behavior of spliced joints between commercial HTS coated conductors based on YBCO at room temperature and service temperature, 77 K. Tensile tests under axial stress and the evolution of the critical current and the electric resistance of the joints have been measured. The complete strain contour for the tape and the joint has been obtained by using Digital Image Correlation. Also, tensile tests under external magnetic field have been performed and the effect of the applied field on the critical current and the electric resistance of the joints has been studied. Finally, a preliminary numerical study by means of Finite Element Method (FEM) of the mechanical behavior of the joints between commercial HTS is presented.

Effect of strain and magnetic field on the critical current and electric resistance of the joints between HTS coated conductors

Engineering of devices and systems such as magnets, fault current limiters or cables, based on High Temperature Superconducting wires requires a deep characterization of the possible degradation of their properties by handling at room temperature as well as during the service life thus establishing the limits for building up functional devices and systems. In the present work we report our study regarding the mechanical behavior of spliced joints between commercial HTS coated conductors based on YBCO at room temperature and service temperature, 77 K. Tensile tests under axial stress and the evolution of the critical current and the electric resistance of the joints have been measured. The complete strain contour for the tape and the joints has been obtained by using Digital Image Correlation. Also, tensile tests under external magnetic field have been performed and the effect of the applied field on the critical current and the electric resistance of the joints has been studied. Additionally, fatigue tests under constant cyclic stress and loading-unloading ramps have been carried out in order to evaluate the electromechanical behavior of the joints and the effect of maximum applied stress on the critical current. Finally, a preliminary numerical study by means of the Finite Element Method (FEM) of the electromechanical behavior of the joints between commercial HTS is presented.

Mechanical behavior and deformation micromechanisms of polypropylene nonwoven fabrics as a function of temperature and strain rate

The mechanical behavior and the deformation and failure micromechanisms of a thermally-bonded polypropylene nonwoven fabric were studied as a function of temperature and strain rate. Mechanical tests were carried out from 248 K (below the glass transition temperature) up to 383 K at strain rates in the range ≈10−3 s−1 to 10−1 s−1. In addition, individual fibers extracted from the nonwoven fabric were tested under the same conditions. Micromechanisms of deformation and failure at the fiber level were ascertained by means of mechanical tests within the scanning electron microscope while the strain distribution at the macroscopic level upon loading was determined by means of digital image correlation. It was found that the nonwoven behavior was mainly controlled by the properties of the fibers and of the interfiber bonds. Fiber properties determined the nonlinear behavior before the peak load while the interfiber bonds controlled the localization of damage after the peak load. The influence of these properties on the strength, ductility and energy absorbed during deformation is discussed from the experimental observations.

A discrete spectral model for intermediate crack debonding in FRP-strengthened RC beams

One of the common failure modes of reinforced concrete (RC) beams strengthened in flexure with a bonded fibre-reinforced polymer (FRP) is intermediate crack (IC) debonding, which is originated at a critical section in the vicinity of flexural cracks and propagates to a plate end. Despite considerable research over the last years, few reliable and simplified IC debonding strength models have been developed. This paper firstly presents a one-dimensional model based on the discrete crack approach for concrete and the spectral element method for the numerical simulation of the IC debonding process. The progressive formation of flexural cracks and subsequent concrete-FRP interfacial debonding is formulated by the introduction of a new element able to represent both phenomena simultaneously without perturbing the numerical procedure. Furthermore, with the proposed model, high frequency dynamic response for these kinds of structures can also be obtained in a very simple and non-expensive way, which makes this procedure very useful as a tool for diagnoses and detection of debonding in its initial stage by monitoring the change in local dynamic characteristics.

Debonding detection of FRP strengthened concrete beams by using impedance measurements and an ensemble PSO adaptive spectral model

An impedance-based midspan debonding identification method for RC beams strengthened with FRP strips is presented in this paper using piezoelectric ceramic (PZT) sensor?actuators. To reach this purpose, firstly, a two-dimensional electromechanical impedance model is proposed to predict the electrical admittance of the PZT transducer bonded to the FRP strips of an RC beam. Considering the impedance is measured in high frequencies, a spectral element model of the bonded-PZT?FRP strengthened beam is developed. This model, in conjunction with experimental measurements of PZT transducers, is used to present an updating methodology to quantitatively detect interfacial debonding of these kinds of structures. To improve the performance and accuracy of the detection algorithm in a challenging problem such as ours, the structural health monitoring approach is solved with an ensemble process based on particle of swarm. An adaptive mesh scheme has also been developed to increase the reliability in locating the area in which debonding initiates. Predictions carried out with experimental results have showed the effectiveness and potential of the proposed method to detect prematurely at its earliest stages a critical failure mode such as that due to midspan debonding of the FRP strip.

Optimización de cimentaciones directas de medianería y esquina mediante modelos de elementos finitos

Existe un amplio catálogo de posibles soluciones para resolver la problemática de las zapatas de medianería así como, por extensión, las zapatas de esquina como caso particular de las anteriores. De ellas, las más habitualmente empleadas en estructuras de edificación son, por un lado, la utilización de una viga centradora que conecta la zapata de medianería con la zapata del pilar interior más próximo y, por otro, la colaboración de la viga de la primera planta trabajando como tirante. En la primera solución planteada, el equilibrio de la zapata de medianería y el centrado de la respuesta del terreno se consigue gracias a la colaboración del pilar interior con su cimentación y al trabajo a flexión de la viga centradora. La modelización clásica considera que se logra un centrado total de la reacción del terreno, con distribución uniforme de las tensiones de contacto bajo ambas zapatas. Este planteamiento presupone, por tanto, que la viga centradora logra evitar cualquier giro de la zapata de medianería y que el pilar puede, por ello, considerarse perfectamente empotrado en la cimentación. En este primer modelo, el protagonismo fundamental recae en la viga centradora, cuyo trabajo a flexión conduce frecuentemente a unas escuadrías y a unas cuantías de armado considerables. La segunda solución, plantea la colaboración de la viga de la primera planta, trabajando como tirante. De nuevo, los métodos convencionales suponen un éxito total en el mecanismo estabilizador del tirante, que logra evitar cualquier giro de la zapata de medianería, dando lugar a una distribución de tensiones también uniforme. Los modelos convencionales existentes para el cálculo de este tipo de cimentaciones presentan, por tanto, una serie de simplificaciones que permiten el cálculo de las mismas, por medios manuales, en un tiempo razonable, pero presentan el inconveniente de su posible alejamiento del comportamiento real de la cimentación, con las consecuencias negativas que ello puede suponer en el dimensionamiento de estos elementos estructurales. La presente tesis doctoral desarrolla un contraste de los modelos convencionales de cálculo de cimentaciones de medianería y esquina, mediante un análisis alternativo con modelos de elementos finitos, con el objetivo de poner de manifiesto las diferencias entre los resultados obtenidos con ambos tipos de modelización, analizar cuáles son las variables que más influyen en el comportamiento real de este tipo de cimentaciones y proponer un nuevo modelo de cálculo, de tipo convencional, más ajustado a la realidad. El proceso de investigación se desarrolla mediante una etapa experimental virtual que utiliza como modelo un pórtico tipo de edificación, ortogonal, de hormigón armado, con dos vanos y número variable de plantas. Tras identificar el posible giro de la cimentación como elemento clave en el comportamiento de las zapatas de medianería y de esquina, se adoptan como variables de estudio aquellas que mayor influencia puedan tener sobre el citado giro de las zapatas y sobre la rigidez del conjunto del elemento estructural. Así, se han estudiado luces de 3 m a 7 m, diferente número de plantas desde baja+1 hasta baja+4, resistencias del terreno desde 100 kN/m2 hasta 300 kN/m2, relaciones de forma de la zapata de medianería de 1,5 : 1 y 2 : 1, aumento y reducción de la cuantía de armado de la viga centradora y variación del canto de la viga centradora desde el mínimo canto compatible con el anclaje de la armadura de los pilares hasta un incremento del 75% respecto del citado canto mínimo. El conjunto de pórticos generados al aplicar las variables indicadas, se ha calculado tanto por métodos convencionales como por el método de los elementos finitos. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto importantes discrepancias entre ambos métodos que conducen a importantes diferencias en el dimensionamiento de este tipo de cimentaciones. El empleo de los métodos tradicionales da lugar, por un lado, a un sobredimensionamiento de la armadura de la viga centradora y, por otro, a un infradimensionamiento, tanto del canto de la viga centradora, como del tamaño de la zapata de medianería y del armado de la viga de la primera planta. Finalizado el análisis y discusión de resultados, la tesis propone un nuevo método alternativo, de carácter convencional y, por tanto, aplicable a un cálculo manual en un tiempo razonable, que permite obtener los parámetros clave que regulan el comportamiento de las zapatas de medianería y esquina, conduciendo a un dimensionamiento más ajustado a las necesidades reales de este tipo de cimentación. There is a wide catalogue of possible solutions to solve the problem of party shoes and, by extension, corner shoes as a special case of the above. From all of them, the most commonly used in building structures are, on one hand, the use of a centering beam that connects the party shoe with the shoe of the nearest interior pillar and, on the other hand, the collaboration of the beam of the first floor working as a tie rod. In the first proposed solution, the balance of the party shoe and the centering of the ground response is achieved thanks to the collaboration of the interior pillar with his foundation along with the bending work of the centering beam. Classical modeling considers that a whole centering of the ground reaction is achieved, with uniform contact stress distribution under both shoes. This approach to the issue presupposes that the centering beam manages to avoid any rotation of the party shoe, so the pillar can be considered perfectly embedded in the foundation. In this first model, the leading role lies in the centering beam, whose bending work usually leads to important section sizes and high amounts of reinforced. The second solution, consideres the collaboration of the beam of the first floor, working as tie rod. Again, conventional methods involve a total success in the stabilizing mechanism of the tie rod, that manages to avoid any rotation of the party shoe, resulting in a stress distribution also uniform. Existing conventional models for calculating such foundations show, therefore, a series of simplifications which allow calculation of the same, by manual means, in a reasonable time, but have the disadvantage of the possible distance from the real behavior of the foundation, with the negative consequences this could bring in the dimensioning of these structural elements. The present thesis develops a contrast of conventional models of calculation of party and corner foundations by an alternative analysis with finite element models with the aim of bring to light the differences between the results obtained with both types of modeling, analysis which are the variables that influence the real behavior of this type of foundations and propose a new calculation model, conventional type, more adjusted to reality. The research process is developed through a virtual experimental stage using as a model a typical building frame, orthogonal, made of reinforced concrete, with two openings and variable number of floors. After identifying the possible spin of the foundation as the key element in the behavior of the party and corner shoes, it has been adopted as study variables, those that may have greater influence on the spin of the shoes and on the rigidity of the whole structural element. So, it have been studied lights from 3 m to 7 m, different number of floors from lower floor + 1 to lower floor + 4, máximum ground stresses from 100 kN/m2 300 kN/m2, shape relationships of party shoe 1,5:1 and 2:1, increase and decrease of the amount of reinforced of the centering beam and variation of the height of the centering beam from the minimum compatible with the anchoring of the reinforcement of pillars to an increase of 75% from the minimum quoted height. The set of frames generated by applying the indicated variables, is calculated both by conventional methods such as by the finite element method. The results show significant discrepancies between the two methods that lead to significant differences in the dimensioning of this type of foundation. The use of traditional methods results, on one hand, to an overdimensioning of the reinforced of the centering beam and, on the other hand, to an underdimensioning, both the height of the centering beam, such as the size of the party shoe and the reinforced of the beam of the first floor. After the analysis and discussion of results, the thesis proposes a new alternative method, conventional type and, therefore, applicable to a manual calculation in a reasonable time, that allows to obtain the key parameters that govern the behavior of party and corner shoes, leading to a dimensioning more adjusted to the real needings of this type of foundation.

Multiscale analysis of the mechanical behavior of needle-punched nonwoven fabrics

Los fieltros son una familia de materiales textiles constituidos por una red desordenada de fibras conectadas por medio de enlaces térmicos, químicos o mecánicos. Presentan menor rigidez y resistencia (al igual que un menor coste de procesado) que sus homólogos tejidos, pero mayor deformabilidad y capacidad de absorción de energía. Los fieltros se emplean en diversas aplicaciones en ingeniería tales como aislamiento térmico, geotextiles, láminas ignífugas, filtración y absorción de agua, impacto balístico, etc. En particular, los fieltros punzonados fabricados con fibras de alta resistencia presentan una excelente resistencia frente a impacto balístico, ofreciendo las mismas prestaciones que los materiales tejidos con un tercio de la densidad areal. Sin embargo, se sabe muy poco acerca de los mecanismos de deformación y fallo a nivel microscópico, ni sobre como influyen en las propiedades mecánicas del material. Esta carencia de conocimiento dificulta la optimización del comportamiento mecánico de estos materiales y también limita el desarrollo de modelos constitutivos basados en mecanismos físicos, que puedan ser útiles en el diseño de componentes estructurales. En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio minucioso con el fin de determinar los mecanismos de deformación y las propiedades mecánicas de fieltros punzonados fabricados con fibras de polietileno de ultra alto peso molecular. Los procesos de deformación y disipación de energía se han caracterizado en detalle por medio de una combinación de técnicas experimentales (ensayos mecánicos macroscópicos a velocidades de deformación cuasi-estáticas y dinámicas, impacto balístico, ensayos de extracción de una o múltiples fibras, microscopía óptica, tomografía computarizada de rayos X y difracción de rayos X de gran ángulo) que proporcionan información de los mecanismos dominantes a distintas escalas. Los ensayos mecánicos macroscópicos muestran que el fieltro presenta una resistencia y ductilidad excepcionales. El estado inicial de las fibras es curvado, y la carga se transmite por el fieltro a través de una red aleatoria e isótropa de nudos creada por el proceso de punzonamiento, resultando en la formación de una red activa de fibra. La rotación y el estirado de las fibras activas es seguido por el deslizamiento y extracción de la fibra de los puntos de anclaje mecánico. La mayor parte de la resistencia y la energía disipada es proporcionada por la extracción de las fibras activas de los nudos, y la fractura final tiene lugar como consecuencia del desenredo total de la red en una sección dada donde la deformación macroscópica se localiza. No obstante, aunque la distribución inicial de la orientación de las fibras es isótropa, las propiedades mecánicas resultantes (en términos de rigidez, resistencia y energía absorbida) son muy anisótropas. Los ensayos de extracción de múltiples fibras en diferentes orientaciones muestran que la estructura de los nudos conecta más fibras en la dirección transversal en comparación con la dirección de la máquina. La mejor interconectividad de las fibras a lo largo de la dirección transversal da lugar a una esqueleto activo de fibras más denso, mejorando las propiedades mecánicas. En términos de afinidad, los fieltros deformados a lo largo de la dirección transversal exhiben deformación afín (la deformación macroscópica transfiere directamente a las fibras por el material circundante), mientras que el fieltro deformado a lo largo de la dirección de la máquina presenta deformación no afín, y la mayor parte de la deformación macroscópica no es transmitida a las fibras. A partir de estas observaciones experimentales, se ha desarrollado un modelo constitutivo para fieltros punzonados confinados por enlaces mecánicos. El modelo considera los efectos de la deformación no afín, la conectividad anisótropa inducida durante el punzonamiento, la curvatura y re-orientación de la fibra, así como el desenredo y extracción de la fibra de los nudos. El modelo proporciona la respuesta de un mesodominio del material correspondiente al volumen asociado a un elemento finito, y se divide en dos bloques. El primer bloque representa el comportamiento de la red y establece la relación entre el gradiente de deformación macroscópico y la respuesta microscópica, obtenido a partir de la integración de la respuesta de las fibras en el mesodominio. El segundo bloque describe el comportamiento de la fibra, teniendo en cuenta las características de la deformación de cada familia de fibras en el mesodominio, incluyendo deformación no afín, estiramiento, deslizamiento y extracción. En la medida de lo posible, se ha asignado un significado físico claro a los parámetros del modelo, por lo que se pueden identificar por medio de ensayos independientes. Las simulaciones numéricas basadas en el modelo se adecúan a los resultados experimentales de ensayos cuasi-estáticos y balísticos desde el punto de vista de la respuesta mecánica macroscópica y de los micromecanismos de deformación. Además, suministran información adicional sobre la influencia de las características microstructurales (orientación de la fibra, conectividad de la fibra anisótropa, afinidad, etc) en el comportamiento mecánico de los fieltros punzonados. Nonwoven fabrics are a class of textile material made up of a disordered fiber network linked by either thermal, chemical or mechanical bonds. They present lower stiffness and strength (as well as processing cost) than the woven counterparts but much higher deformability and energy absorption capability and are used in many different engineering applications (including thermal insulation, geotextiles, fireproof layers, filtration and water absorption, ballistic impact, etc). In particular, needle-punched nonwoven fabrics manufactured with high strength fibers present an excellent performance for ballistic protection, providing the same ballistic protection with one third of the areal weight as compared to dry woven fabrics. Nevertheless, very little is known about their deformation and fracture micromechanisms at the microscopic level and how they contribute to the macroscopic mechanical properties. This lack of knowledge hinders the optimization of their mechanical performance and also limits the development of physically-based models of the mechanical behavior that can be used in the design of structural components with these materials. In this thesis, a thorough study was carried out to ascertain the micromechanisms of deformation and the mechanical properties of a needle-punched nonwoven fabric made up by ultra high molecular weight polyethylene fibers. The deformation and energy dissipation processes were characterized in detail by a combination of experimental techniques (macroscopic mechanical tests at quasi-static and high strain rates, ballistic impact, single fiber and multi fiber pull-out tests, optical microscopy, X-ray computed tomography and wide angle X-ray diffraction) that provided information of the dominant mechanisms at different length scales. The macroscopic mechanical tests showed that the nonwoven fabric presented an outstanding strength and energy absorption capacity. It was found that fibers were initially curved and the load was transferred within the fabric through the random and isotropic network of knots created by needlepunching, leading to the formation of an active fiber network. Uncurling and stretching of the active fibers was followed by fiber sliding and pull-out from the entanglement points. Most of the strength and energy dissipation was provided by the extraction of the active fibers from the knots and final fracture occurred by the total disentanglement of the fiber network in a given section at which the macroscopic deformation was localized. However, although the initial fiber orientation distribution was isotropic, the mechanical properties (in terms of stiffness, strength and energy absorption) were highly anisotropic. Pull-out tests of multiple fibers at different orientations showed that structure of the knots connected more fibers in the transverse direction as compared with the machine direction. The better fiber interconnection along the transverse direction led to a denser active fiber skeleton, enhancing the mechanical response. In terms of affinity, fabrics deformed along the transverse direction essentially displayed affine deformation {i.e. the macroscopic strain was directly transferred to the fibers by the surrounding fabric, while fabrics deformed along the machine direction underwent non-affine deformation, and most of the macroscopic strain was not transferred to the fibers. Based on these experimental observations, a constitutive model for the mechanical behavior of the mechanically-entangled nonwoven fiber network was developed. The model accounted for the effects of non-affine deformation, anisotropic connectivity induced by the entanglement points, fiber uncurling and re-orientation as well as fiber disentanglement and pull-out from the knots. The model provided the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the volume associated to a finite element and is divided in two blocks. The first one was the network model which established the relationship between the macroscopic deformation gradient and the microscopic response obtained by integrating the response of the fibers in the mesodomain. The second one was the fiber model, which took into account the deformation features of each set of fibers in the mesodomain, including non-affinity, uncurling, pull-out and disentanglement. As far as possible, a clear physical meaning is given to the model parameters, so they can be identified by means of independent tests. The numerical simulations based on the model were in very good agreement with the experimental results of in-plane and ballistic mechanical response of the fabrics in terms of the macroscopic mechanical response and of the micromechanisms of deformation. In addition, it provided additional information about the influence of the microstructural features (fiber orientation, anisotropic fiber connectivity, affinity) on the mechanical performance of mechanically-entangled nonwoven fabrics.