Estudio comparativo en el dimensionamiento de cimentaciones

El presente documento es el resultado de la participación de forma activa del autor en el equipo de la oficina de proyectos IDEAM S.A. encargada de realizar en U.T.E. con F.H.E.C.O.R. un manual de aplicación del Eurocódigo 7 a petición de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento. El trabajo se ha centrado en la comparación entre las diversas formulaciones existentes para obtener la carga de hundimiento en cimentaciones superficiales, comparando los resultados de los distintos factores que participan en la formulación de los diferentes autores. De este modo el estudio ha servido para detectar algunas incongruencias entre las formulaciones clásicas de Brinch-Hansen y la formulación propuesta en el anexo D del Eurocódigo 7 (UNE-EN 1997-1) A sí mismo la investigación también se centra en las implicaciones que supone realizar el diseño de las cimentaciones superficiales utilizando para ello el método de los coeficientes parciales de seguridad y combinaciones de acciones mayoradas tal y como plantea el Eurocódigo 7 en lugar de realizar dicho diseño mediante el método de los coeficientes globales de seguridad y combinaciones características de acciones en la forma en que la tradición geotécnica española ha venido haciendo hasta la fecha. This document is the result of the active participation of the author in IDEAM SA, responsible for compiling a guide for the Eurocode 7 as a request by General Director of Hihways of the Fomento Ministry The work primarily focuses on the comparison between the different theories used to obtain the bearing capacity of shallow foundations and comparing the results of the multpile factors involved in the formulas designed by different authors Thereby, the present study has helped identify inconsistencies between the classical formulations of Brinch-Hansen and the proposed formulation in the Annex D of the Eurocode 7 (UNE- EN 1997-1) The investigation additionally focuses on the implications of shallow foundations desing by using the method of partial safety factors and the ULS combinations of actions instead of employing the design by the global safety factor method and SLS combinations of the actions.

Efectos dinámicos aleatorios en túneles y obras subterráneas

La construcción de una obra subterránea con las características de un túnel o condución de cualquier tipo afecta las propiedades del medio en el que se realiza, poniendo de manifiesto un problema que sólo en épocas relativamente recientes ha recibido antención: la interacción terreno-estructura. Si en las construcciones exteriores (edificios, presas etc.) la importancia de la interacción sólo existe en los casos de grandes obras, aquí la cuestión se plantea como algo intrínseco a la naturaleza del problema. La inclusión de las características del terreno en el análisis dinámico no es un problema sencillo, debido tanto a las irregularidades geométricas posibles, como a la incertidumbre respecto a las propiedades mecánicas. Por si fuera poco la aleatoriedad de las solicitaciones que estudiamos; terremotos, explosiones etc. exige un tratamiento estadístico de los resultados que se obtengan. Aunque se han realizado intentos analíticos para la resolución del problema, tropiezan siempre con la dificultad de las drásticas simplificaciones que es preciso suponer para hacer tratable el problema; estas simplificaciones pueden falsear los resultados deseados. De hecho, el único medio de introducir las numerosas variantes que aparecen es recurrir a los métodos numéricos de discretización. En este estudio hemos tanteado dos posibilidades. Finalmente, el método de los elementos finitos (F.E.M.)aparece como el más adecuado por su versatilidad y rápidez. El análisis dinámico mediante elementos finitos presenta algunos problemas, relativos fundamentalmente al modelado del medio. En efecto, la discretización introduce problemas al pretender simular la propagacíón de las ondas, y la presencia de contornos a distancia finita hace que se presenten problemas a menos que se dispongan medios como contornos absorbentes o cualquier otro procedimiento que elimine las reflexiones en los bordes. El problema es grave, pues se precisa disponer de un número muy grande de elementos lo que, limitado por la capacidad de la máquina, puede provocar una malla inadecuada para la representación de la estructura, siendo así que esta es nuestra preocupación básica. Por otro lado, si se utiliza la técnica modal, los dos o tres primeros modos del sistema global pueden no dar una representación apropiada del comportamiento de la estructura. El objetivo de este trabajo es la puesta a punto de un método que permita solventar estas dificultades y obtener la respuesta estructural con la precisión que se desee. Dado el carácter aleatorio de la solicitacion se ha dado un paso más y lo que se ha finalizado es con un estudio estadístico de la respuesta.

Comparativa de la tenacidad entre hormigón convencional, hormigón reforzado con fibras de acero y hormigón reforzado con fibras de polipropileno

En este trabajo se estudiará como el uso de Fibras en el Hormigón aumenta la Tenacidad, y por tanto otras propiedades de los hormigones, permitiendo soportar en algunos casos mayores esfuerzos antes de llegar a su rotura. El objetivo principal es profundizar en el estudio de las fibras como refuerzo en el Hormigón y de esta manera fijar los conceptos que lo caracterizan para ser capaces de definir y justificar actualmente su uso en el sector de la construcción. Con la misma finalidad se realizará una comparativa entre un Hormigón reforzado con Fibras de Acero y un Hormigón reforzado con Fibras de Polipropileno, analizando las variantes que presentan en cuanto a su Tenacidad. El conocer el comportamiento del Hormigón reforzado con cada fibra, nos permite definir las aplicaciones en las cuales se recomendaría utilizar cada una de ellas. Este Trabajo Fin de Master pretende poder predecir qué tipo de tenacidad tendrá el hormigón en función de los dos tipos de fibras de refuerzos propuestas y definir claramente la mejor aplicación que puede tener en la obra. Cabe mencionar que los modelos de Hormigón propuestos a lo largo del trabajo hacen referencia a la normativa descrita en la EHE para Hormigones reforzados con fibras. Para fibras de Acero como refuerzo en el hormigón, se consultará la UNE 83.500-1:1989 y la UNE 83512-1:2005, para fibras de polipropileno la UNE 83.500-2:1989 y la UNE 83512-2:2005, y para el índice de tenacidad y resistencia a primera fisura consultaremos la UNE 83510:2004. Como último alcance se intenta realizar un trabajo que sirva de consulta y orientación al lector interesado en el manejo y funcionalidad de este tipo de hormigones, de tal manera que a lo largo del escrito se mencionaran algunas normativas, procesos y ensayos referentes a los hormigones reforzados con fibras.

On soil-structure interaction in large non-slender partially buried structures

This paper addresses the seismic analysis of a deeply embedded non-slender structure hosting the pumping unit of a reservoir. The dynamic response in this type of problems is usually studied under the assumption of a perfectly rigid structure using a sub-structuring procedure (three-step solution) proposed specifically for this hypothesis. Such an approach enables a relatively simple assessment of the importance of some key factors influencing the structural response. In this work, the problem is also solved in a single step using a direct approach in which the structure and surrounding soil are modelled as a coupled system with its actual geometry and flexibility. Results indicate that, quite surprisingly, there are significant differences among prediction using both methods. Furthermore, neglecting the flexibility of the structure leads to a significant underestimation of the spectral accelerations at certain points of the structure.

Hidrología y recursos hídricos en islas y terrenos volcánicos

La islas volcánicas tienen una geología singular que condiciona enormemente la forma de aprovechar los recursos hídricos, que en general es más compleja que en los territorios continentales. El agua en las islas volcánicas es un activo fundamental para el desarrollo económico y vital de sus habitantes. Canarias es uno de los lugares del mundo donde más conocimiento se tiene sobre sus aguas subterráneas y los recursos hídricos en general, pero obviamente hay muchas cosas todavía por hacer e investigar. Los esfuerzos en investigación e ingeniería que se han realizado en las islas Canarias para disponer de unos recursos hídricos en cantidad y calidad suficientes han sido muy importantes a lo largo de la historia. Esos avances tecnológicos pueden ser transferidos a otras regiones insulares con menor disponibilidad de recurso, de ahí que Canarias tiene una oportunidad histórica de liderar a nivel mundial la gestión y aprovechamiento de los recursos hídricos en terrenos volcánicos. La presente obra se divide en 23 capítulos, y abarcan el ciclo integral del agua en una islas volcánica, desde conceptos básicos de geología y vulcanismo hasta su gestión y aprovechamiento. El libro es de interés para académicos, ingenieros, consultores, y profesionales vinculados con la hidrología y el aprovechamiento de aguas en terrenos volcánicos.

Incidencia y especificaciones del hormigón con fibras en las diferentes partes del proyecto en España y Bolivia

En los últimos años es notable la proliferación de trabajos y estudios que tratan sobre las características del hormigón reforzado con fibras, sin embargo su incorporación en el proyecto no está del todo claro, por lo que el presente trabajo se enfocará en describir las fibras y las principales características que estas modifican en el comportamiento del hormigón, tomando en consideración la Normativa EHE-08 y el Código Boliviano del Hormigón (CBH-87).También, trata de implementar el hormigón reforzado con fibras en la elaboración del proyecto, teniendo en cuenta la incidencia de las fibras en las diferentes etapas del mismo. Se compara la influencia del hormigón reforzado con fibras en las diferentes etapas de la elaboración del proyecto en España con la de un proyecto elaborado en Bolivia. Por último, se describen los aspectos a considerar en el control de calidad del hormigón reforzado con fibras a incluir en el proyecto, para una correcta utilización del mismo.

Evaluación de un hormigón autocompactante sometido a ciclos hielo-deshielo mediante ensayos no destructivos

Evaluación de un hormigón autocompactante sometido a ciclos hielo-deshielo mediante ensayos no destructivos. Los daños asociados a los ciclos hielo-deshielo en estructuras de hormigón y sobre todo cuando se usan sales fundentes, son evidentes en una inspección, en muchos casos en ese momento, el daño ya es relativamente grande y se requiere una intervención importante. El uso de técnicas no destructivas que puedan anticipar el daño antes de que fuera detectable mediante inspección, permitiría poder acometer operaciones de mantenimiento con un menor coste. En este trabajo se monitoriza mediante técnicas no destructivas tres hormigones: uno convencional, con y sin aireante, y otro autocompactante frente a ciclos de hielo/ deshielo, sometiendo probetas al ensayo de resistencia al hielo-deshielo de acuerdo a la norma UNE-CEN/TS 12390-9 (medida de pérdida de masa superficial). En paralelo a las medidas de descascarillamiento superficial se realizaron medidas de velocidad de pulso ultrasónico, para establecer la variación del módulo de elasticidad dinámico del material. También se realizaron mediciones en continuo, durante todos los ciclos, de deformación superficial del hormigón utilizando bandas extensométricas y sensores de fibra óptica. Los resultados obtenidos del ensayo de hielo-deshielo muestran, como cabía esperar, un mayor deterioro en el hormigón de referencia sin aireante. Los hormigones eran de resistencias características similares, con el mismo contenido de cemento, igual relación agua/cemento, si bien el hormigón autocompactante tenía una mayor cantidad de finos filler calizo) con el consiguiente refinamiento de la red porosa. De los resultados obtenidos, se determinó por un lado la viabilidad del uso de ensayos no destructivos, con posible implementación in situ, para determinar el daño del hormigón autocompactante y por otro la posibilidad de utilizar estas medidas de la deformación en el ensayo de hielo-deshielo en laboratorio con la ventaja de no tener que parar el ensayo para realizar las medidas de descascarillamiento de las probetas.

Durabilidad y propiedades mecánicas del hormigón autocompactante con adición de microsílice y nano sílice

Con la creciente preocupación por el impacto ambiental de la industria del cemento, el uso de subproductos industriales en la fabricación del cemento y del hormigón ha cobrado gran interés en nuestros días, ya que permiten utilizar estos desechos, reduciendo en muchos casos el consumo de cemento en el hormigón; disminuyendo a su vez el consumo energético y las emisiones asociadas a su producción. El humo de sílice es un subproducto de la producción de metal silicio o ferrosilício, su uso como adición en el hormigón ha demostrado ser efectivo en hormigones de alta resistencia. Las partículas de SiO2 micro y nano, reaccionan con el hidróxido de calcio y la tasa de la reacción puzolánica es proporcional al área disponible para la reacción. Al utilizar nano-partículas, se aumenta el área, mejorando seguramente el desempeño del hormigón. Por lo tanto, resulta de utilidad estudiar el efecto de estas adiciones en el hormigón. En este trabajo se han estudiado las propiedades mecánicas y la durabilidad de varias mezclas de hormigón autocompactante de alta resistencia con adición de microsílice y nanosílice. Para este propósito se ha incorporado a la mezcla de hormigón microsílice en 3, 6 y 10% y nanosílice en 3 y 6% respectivamente, en peso de cemento. En todas las mezclas se han mantenido constantes el contenido de cemento de 450 kg/m3 , la relación a/c y la cantidad de aditivo plastificante. Se han realizado ensayos en estado fresco para obtener las características reológicas de los hormigones. Se han determinado las principales propiedades mecánicas a 28 días de edad y se han realizado ensayos de durabilidad. Los resultados de los ensayos muestran una mejora significativa en las propiedades del hormigón. Desde el punto de vista microestructural se observa una estructura porosa más refinada y densa en las mezclas que contienen adiciones, lo cual puede contribuir al mejoramiento de la resistencia y la durabilidad de los hormigones. Las nanopartículas resultaron ser mejores que el microsílice en el aumento de la resistencia.

Wheel-Rail Contact Forces in High-Speed Simply Supported Bridges at Resonance

The response of high-speed bridges at resonance, particularly under flexural vibrations, constitutes a subject of research for many scientists and engineers at the moment. The topic is of great interest because, as a matter of fact, such kind of behaviour is not unlikely to happen due to the elevated operating speeds of modern rains, which in many cases are equal to or even exceed 300 km/h ( [1,2]). The present paper addresses the subject of the evolution of the wheel-rail contact forces during resonance situations in simply supported bridges. Based on a dimensionless formulation of the equations of motion presented in [4], very similar to the one introduced by Klasztorny and Langer in [3], a parametric study is conducted and the contact forces in realistic situations analysed in detail. The effects of rail and wheel irregularities are not included in the model. The bridge is idealised as an Euler-Bernoulli beam, while the train is simulated by a system consisting of rigid bodies, springs and dampers. The situations such that a severe reduction of the contact force could take place are identified and compared with typical situations in actual bridges. To this end, the simply supported bridge is excited at resonace by means of a theoretical train consisting of 15 equidistant axles. The mechanical characteristics of all axles (unsprung mass, semi-sprung mass, and primary suspension system) are identical. This theoretical train permits the identification of the key parameters having an influence on the wheel-rail contact forces. In addition, a real case of a 17.5 m bridges traversed by the Eurostar train is analysed and checked against the theoretical results. The influence of three fundamental parameters is investigated in great detail: a) the ratio of the fundamental frequency of the bridge and natural frequency of the primary suspension of the vehicle; b) the ratio of the total mass of the bridge and the semi-sprung mass of the vehicle and c) the ratio between the length of the bridge and the characteristic distance between consecutive axles. The main conclusions derived from the investigation are: The wheel-rail contact forces undergo oscillations during the passage of the axles over the bridge. During resonance, these oscillations are more severe for the rear wheels than for the front ones. If denotes the span of a simply supported bridge, and the characteristic distance between consecutive groups of loads, the lower the value of , the greater the oscillations of the contact forces at resonance. For or greater, no likelihood of loss of wheel-rail contact has been detected. The ratio between the frequency of the primary suspension of the vehicle and the fundamental frequency of the bridge is denoted by (frequency ratio), and the ratio of the semi-sprung mass of the vehicle (mass of the bogie) and the total mass of the bridge is denoted by (mass ratio). For any given frequency ratio, the greater the mass ratio, the greater the oscillations of the contact forces at resonance. The oscillations of the contact forces at resonance, and therefore the likelihood of loss of wheel-rail contact, present a minimum for approximately between 0.5 and 1. For lower or higher values of the frequency ratio the oscillations of the contact forces increase. Neglecting the possible effects of torsional vibrations, the metal or composite bridges with a low linear mass have been found to be the ones where the contact forces may suffer the most severe oscillations. If single-track, simply supported, composite or metal bridges were used in high-speed lines, and damping ratios below 1% were expected, the minimum contact forces at resonance could drop to dangerous values. Nevertheless, this kind of structures is very unusual in modern high-speed railway lines.

Refuerzo de elementos estructurales con hormigones con fibras o sólo fibras

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

Computational Methods for Identification of Vibrating Structures

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

The effect of Windbreaks on Railway Overheads subject to Cross-Winds at O Eixo Viaduct

A measurement investigation, at ADIF's test site at the O Eixo viaduct which is on the Spanish Santiago-Ourense high speed railway line, has been carried out during the last year. The main goal of the investigation is to study the effect of the cross-wind on railway overheads (catenaries) and the influence of the presence of windbreaks on the wind-induced motion of the railway overhead. A description of the O Eixo viaduct test site is presented in this paper, including the installed windbreaks, the sensor and power supply systems. Three catenary spans has been instrumented at the center point of the catenary span contact wire with one ultrasonic anemometer and two unidirectional accelerometers. Additionally, another ultrasonic anemometer placed in the central catenary span has been installed to provide reference wind data. Wind roses of wind speed and standard deviation of the accelerometers are presented. As expected, the four wind roses look very similar and the two dominant directions close to the perpendicular to the bridge longitudinal axes, north and south have been identified. The wind roses of the standard deviation of the acceleration shows that the acceleration of the catenary contact wire is related to the directions of the two dominant winds. The vertical standard deviation of the acceleration is higher than the horizontal one for the spans with windbreaks. It has also been observed that the presence of the windbreaks modifies the wind flow leading to a wind-induced motion of the catenary contact wire which shows a higher variability than the corresponding unprotected case. On the one hand, the baseline southerly wind configuration (south wind, windbreaks in the windward side and catenary in the leeward side) influence both the mean speed at the catenary and the turbulence intensity. On the other hand, the northerly wind configuration, windbreaks in the leeward side and catenary in the windward side, provide a reference to the response of the catenary for an unprotected railway overhead, and, as it is expected, the windbreak influence is much more reduced compared to the southerly wind configuration. Both the height of the windbreak and the eaves contribute to the increase in the turbulence intensity at the catenary contact wire height. It can be seen that the height of the windbreak plays a crucial role in the increase of turbulence intensity, much more intense than the presence of the windbreak eave.

Criteria for Ballast Flight Initiation Induced by High Speed Trains

One of the phenomena that limit the velocity of trains in high speed lines is the so- called “ballast pick-up”. It is a ballast train-induced-wind erosion (or BATIWE) that can produce damage to the train under body and the infrastructure surrounding the tracks. The analysis of the measurements taken during several passes of the train allows for a criterion of ballast flight initiation to be obtained. The first rotation of a ballast stone occurs when the impulse given to the stone (arising from the aerodynamic loading produced by the wind gust genera ted by the passing train) overpasses a critical impulse. This impulse depends on the physical properties of the stone (mass, shape, moment of inertia, etc. ...) and its posture on the track bed. The aim of this paper is to report on the experimental results obtained in the ADIF’S Brihuega (Guadalajara) test station, in the Madrid to Barcelona high speed line, and the way they can be used to support the feasibility of the definition of a criterion to evaluate the BA TIWE capability of trains. The results obtained show the feasibility of the proposed method, and contribute to a method of BATIWE characterization, which can be relevant for the development of train interoperability standardization.

Combining a Similar Coefficient Identification Algorithm with the Boundary Element Method

The boundary element method (BEM) has been applied successfully to many engineering problems during the last decades. Compared with domain type methods like the finite element method (FEM) or the finite difference method (FDM) the BEM can handle problems where the medium extends to infinity much easier than domain type methods as there is no need to develop special boundary conditions (quiet or absorbing boundaries) or infinite elements at the boundaries introduced to limit the domain studied. The determination of the dynamic stiffness of arbitrarily shaped footings is just one of these fields where the BEM has been the method of choice, especially in the 1980s. With the continuous development of computer technology and the available hardware equipment the size of the problems under study grew and, as the flop count for solving the resulting linear system of equations grows with the third power of the number of equations, there was a need for the development of iterative methods with better performance. In [1] the GMRES algorithm was presented which is now widely used for implementations of the collocation BEM. While the FEM results in sparsely populated coefficient matrices, the BEM leads, in general, to fully or densely populated ones, depending on the number of subregions, posing a serious memory problem even for todays computers. If the geometry of the problem permits the surface of the domain to be meshed with equally shaped elements a lot of the resulting coefficients will be calculated and stored repeatedly. The present paper shows how these unnecessary operations can be avoided reducing the calculation time as well as the storage requirement. To this end a similar coefficient identification algorithm (SCIA), has been developed and implemented in a program written in Fortran 90. The vertical dynamic stiffness of a single pile in layered soil has been chosen to test the performance of the implementation. The results obtained with the 3-d model may be compared with those obtained with an axisymmetric formulation which are considered to be the reference values as the mesh quality is much better. The entire 3D model comprises more than 35000 dofs being a soil region with 21168 dofs the biggest single region. Note that the memory necessary to store all coefficients of this single region is about 6.8 GB, an amount which is usually not available with personal computers. In the problem under study the interface zone between the two adjacent soil regions as well as the surface of the top layer may be meshed with equally sized elements. In this case the application of the SCIA leads to an important reduction in memory requirements. The maximum memory used during the calculation has been reduced to 1.2 GB. The application of the SCIA thus permits problems to be solved on personal computers which otherwise would require much more powerful hardware.

Shaking table tests of a RC frame structure equipped with hysteretic dampers

This paper provides partial results of an on-going research aimed at investigating the seismic response of reinforced concrete (RC) frames equipped with hysteretic-type energy dissipating devices (EDD). From a prototype RC frame structure designed only for gravity loads, a test model scaled in geometry to 2/5 was defined and built in the Laboratory of Structures of the University of Granada. Four EDDs were installed in the test model to provide the same seismic resistance than a conventional RC bare frame designed for sustain gravity and seismic loads following current codes. The test model with EDDs was subjected to several seismic simulations with the shaking table of Laboratory of structures of the University of Granada. The test results provide empirical evidences on the efficiency of the EDDs to prevent damage on the main frame and concentrating the inelastic deformations on the EDDs.