Curing, defects and mechanical performance of fiber-reinforced composites

Tradicionalmente, la fabricaci��n de materiales compuestos de altas prestaciones se lleva a cabo en autoclave mediante la consolidaci��n de preimpregnados a trav��s de la aplicaci��n simult��nea de altas presiones y temperatura. Las elevadas presiones empleadas en autoclave reducen la porosidad de los componentes garantizando unas buenas propiedades mec��nicas. Sin embargo, este sistema de fabricaci��n conlleva tiempos de producci��n largos y grandes inversiones en equipamiento lo que restringe su aplicaci��n a otros sectores alejados del sector aeron��utico. Este hecho ha generado una creciente demanda de sistemas de fabricaci��n alternativos al autoclave. Aunque estos sistemas son capaces de reducir los tiempos de producci��n y el gasto energ��tico, por lo general, dan lugar a materiales con menores prestaciones mec��nicas debido a que se reduce la compactaci��n del material al aplicar presiones mas bajas y, por tanto, la fracci��n volum��trica de fibras, y disminuye el control de la porosidad durante el proceso. Los modelos num��ricos existentes permiten conocer los fundamentos de los mecanismos de crecimiento de poros durante la fabricaci��n de materiales compuestos de matriz polim��rica mediante autoclave. Dichos modelos analizan el comportamiento de peque��os poros esf��ricos embebidos en una resina viscosa. Su validez no ha sido probada, sin embargo, para la morfolog��a t��pica observada en materiales compuestos fabricados fuera de autoclave, consistente en poros cil��ndricos y alargados embebidos en resina y rodeados de fibras continuas. Por otro lado, aunque existe una clara evidencia experimental del efecto pernicioso de la porosidad en las prestaciones mec��nicas de los materiales compuestos, no existe informaci��n detallada sobre la influencia de las condiciones de procesado en la forma, fracci��n volum��trica y distribuci��n espacial de los poros en los materiales compuestos. Las t��cnicas de an��lisis convencionales para la caracterizaci��n microestructural de los materiales compuestos proporcionan informaci��n en dos dimensiones (2D) (microscop��a ��ptica y electr��nica, radiograf��a de rayos X, ultrasonidos, emisi��n ac��stica) y s��lo algunas son adecuadas para el an��lisis de la porosidad. En esta tesis, se ha analizado el efecto de ciclo de curado en el desarrollo de los poros durante la consolidaci��n de preimpregnados Hexply AS4/8552 a bajas presiones mediante moldeo por compresi��n, en paneles unidireccionales y multiaxiales utilizando tres ciclos de curado diferentes. Dichos ciclos fueron cuidadosamente dise��ados de acuerdo a la caracterizaci��n t��rmica y reol��gica de los preimpregnados. La fracci��n volum��trica de poros, su forma y distribuci��n espacial se analizaron en detalle mediante tomograf��a de rayos X. Esta t��cnica no destructiva ha demostrado su capacidad para analizar la microestructura de materiales compuestos. Se observ��, que la porosidad depende en gran medida de la evoluci��n de la viscosidad din��mica a lo largo del ciclo y que la mayor��a de la porosidad inicial proced��a del aire atrapado durante el apilamiento de las l��minas de preimpregnado. En el caso de los laminados multiaxiales, la porosidad tambi��n se vio afectada por la secuencia de apilamiento. En general, los poros ten��an forma cil��ndrica y se estaban orientados en la direcci��n de las fibras. Adem��s, la proyecci��n de la poblaci��n de poros a lo largo de la direcci��n de la fibra revel�� la existencia de una estructura celular de un di��metro aproximado de 1 mm. Las paredes de las celdas correspond��an con regiones con mayor densidad de fibra mientras que los poros se concentraban en el interior de las celdas. Esta distribuci��n de la porosidad es el resultado de una consolidaci��n no homogenea. Toda esta informaci��n es cr��tica a la hora de optimizar las condiciones de procesado y proporcionar datos de partida para desarrollar herramientas de simulaci��n de los procesos de fabricaci��n de materiales compuestos fuera de autoclave. Adicionalmente, se determinaron ciertas propiedades mec��nicas dependientes de la matriz termoestable con objeto de establecer la relaci��n entre condiciones de procesado y las prestaciones mec��nicas. En el caso de los laminados unidireccionales, la resistencia interlaminar depende de la porosidad para fracciones volum��tricas de poros superiores 1%. Las mismas tendencias se observaron en el caso de GIIc mientras GIc no se vio afectada por la porosidad. En el caso de los laminados multiaxiales se evalu�� la influencia de la porosidad en la resistencia a compresi��n, la resistencia a impacto a baja velocidad y la resistencia a copresi��n despu��s de impacto. La resistencia a compresi��n se redujo con el contenido en poros, pero ��ste no influy�� significativamente en la resistencia a compresi��n despues de impacto ya que qued�� enmascarada por otros factores como la secuencia de apilamiento o la magnitud del da��o generado tras el impacto. Finalmente, el efecto de las condiciones de fabricaci��n en el proceso de compactaci��n mediante moldeo por compresi��n en laminados unidireccionales fue simulado mediante el m��todo de los elementos finitos en una primera aproximaci��n para simular la fabricaci��n de materiales compuestos fuera de autoclave. Los par��metros del modelo se obtuvieron mediante experimentos t��rmicos y reol��gicos del preimpregnado Hexply AS4/8552. Los resultados obtenidos en la predicci��n de la reducci��n de espesor durante el proceso de consolidaci��n concordaron razonablemente con los resultados experimentales. Manufacturing of high performance polymer-matrix composites is normally carried out by means of autoclave using prepreg tapes stacked and consolidated under the simultaneous application of pressure and temperature. High autoclave pressures reduce the porosity in the laminate and ensure excellent mechanical properties. However, this manufacturing route is expensive in terms of capital investment and processing time, hindering its application in many industrial sectors. This fact has driven the demand of alternative out-of-autoclave processing routes. These techniques claim to produce composite parts faster and at lower cost but the mechanical performance is also reduced due to the lower fiber content and to the higher porosity. Corrient numerical models are able to simulate the mechanisms of void growth in polymer-matrix composites processed in autoclave. However these models are restricted to small spherical voids surrounded by a viscous resin. Their validity is not proved for long cylindrical voids in a viscous matrix surrounded by aligned fibers, the standard morphology observed in out-of-autoclave composites. In addition, there is an experimental evidence of the detrimental effect of voids on the mechanical performance of composites but, there is detailed information regarding the influence of curing conditions on the actual volume fraction, shape and spatial distribution of voids within the laminate. The standard techniques of microstructural characterization of composites (optical or electron microscopy, X-ray radiography, ultrasonics) provide information in two dimensions and are not always suitable to determine the porosity or void population. Moreover, they can not provide 3D information. The effect of curing cycle on the development of voids during consolidation of AS4/8552 prepregs at low pressure by compression molding was studied in unidirectional and multiaxial panels. They were manufactured using three different curing cycles carefully designed following the rheological and thermal analysis of the raw prepregs. The void volume fraction, shape and spatial distribution were analyzed in detail by means of X-ray computed microtomography, which has demonstrated its potential for analyzing the microstructural features of composites. It was demonstrated that the final void volume fraction depended on the evolution of the dynamic viscosity throughout the cycle. Most of the initial voids were the result of air entrapment and wrinkles created during lay-up. Differences in the final void volume fraction depended on the processing conditions for unidirectional and multiaxial panels. Voids were rod-like shaped and were oriented parallel to the fibers and concentrated in channels along the fiber orientation. X-ray computer tomography analysis of voids along the fiber direction showed a cellular structure with an approximate cell diameter of 1 mm. The cell walls were fiber-rich regions and porosity was localized at the center of the cells. This porosity distribution within the laminate was the result of inhomogeneous consolidation. This information is critical to optimize processing parameters and to provide inputs for virtual testing and virtual processing tools. In addition, the matrix-controlled mechanical properties of the panels were measured in order to establish the relationship between processing conditions and mechanical performance. The interlaminar shear strength (ILSS) and the interlaminar toughness (GIc and GIIc) were selected to evaluate the effect of porosity on the mechanical performance of unidirectional panels. The ILSS was strongly affected by the porosity when the void contents was higher than 1%. The same trends were observed in the case of GIIc while GIc was insensitive to the void volume fraction. Additionally, the mechanical performance of multiaxial panels in compression, low velocity impact and compression after impact (CAI) was measured to address the effect of processing conditions. The compressive strength decreased with porosity and ply-clustering. However, the porosity did not influence the impact resistance and the coompression after impact strength because the effect of porosity was masked by other factors as the damage due to impact or the laminate lay-up. Finally, the effect of the processing conditions on the compaction behavior of unidirectional AS4/8552 panels manufactured by compression moulding was simulated using the finite element method, as a first approximation to more complex and accurate models for out-of autoclave curing and consolidation of composite laminates. The model parameters were obtained from rheological and thermo-mechanical experiments carried out in raw prepreg samples. The predictions of the thickness change during consolidation were in reasonable agreement with the experimental results.

An��lisis de la influencia de distintos dise��os de paraguas de micropilotes, pantalla de micropilotes, paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting en los asientos en superficie durante la ejecuci��n de t��neles perforados superficialmente

Ya en el informe acerca del estado de la tecnolog��a en la excavaci��n profunda y en la construcci��n de t��neles en terreno duro presentado en la 7�� Conferencia en Mec��nica de Suelos e Ingenier��a de la Cimentaci��n, Peck (1969) introdujo los tres temas a ser tenidos en cuenta para el dise��o de t��neles en terrenos blandos: o Estabilidad de la cavidad durante la construcci��n, con particular atenci��n a la estabilidad del frente del t��nel; o Evaluaci��n de los movimientos del terreno inducidos por la construcci��n del t��nel y de la incidencia de los trabajos subterr��neos a poca profundidad sobre los asentamientos en superficie; o Dise��o del sistema de sostenimiento del t��nel a instalar para asegurar la estabilidad de la estructura a corto y largo plazo. Esta Tesis se centra en los problemas se��alados en el segundo de los puntos, analizando distintas soluciones habitualmente proyectadas para reducir los movimientos inducidos por la excavaci��n de los t��neles. El objeto de la Tesis es el an��lisis de la influencia de distintos dise��os de paraguas de micropilotes, pantalla de micropilotes, paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting en los asientos en superficie durante la ejecuci��n de t��neles ejecutados a poca profundidad, con objeto de buscar el dise��o que optimice los medios empleados para una determinada reducci��n de asientos. Para ello se establecen unas premisas para los proyectistas con objeto de conocer a priori cuales son los tratamientos m��s eficientes (de los propuestos en la Tesis) para la reducci��n de asientos en superficie cuando se ha de proyectar un t��nel, de tal manera que pueda tener datos cualitativos y algunos cuantitativos sobre los dise��os m��s ��ptimos, utilizando para ello un programa de elementos finitos de ��ltima generaci��n que permite realizara la simulaci��n tensodeformaci��n del terreno mediante el modelo de suelo con endurecimiento (Hardening Soil Small model), que es una variante elastopl��stica del modelo hiperb��lico, similar al Hardening Soil Model. Adem��s, este modelo incorpora una relaci��n entre deformaci��n y el modulo de rigidez, simulando el diferente comportamiento del suelo para peque��as deformaciones (por ejemplo vibraciones con deformaciones por debajo de 10-5 y grandes deformaciones (deformaciones > 10-3). Para la realizaci��n de la Tesis se han elegido cinco secciones de t��nel, dos correspondiente a secciones tipo de t��nel ejecutado con tuneladora y tres secciones ejecutados mediante convencionales (dos correspondientes a secciones que han utilizado el m��todo Belga y una que ha utilizado el NATM). Para conseguir los objetivos marcados, primeramente se ha analizado mediante una correlaci��n entre modelos tridimensionales y bidimensionales el valor de relajaci��n usado en estos ��ltimos, y ver su variaci��n al cambio de par��metros como la secci��n del t��nel, la cobertera, el procedimiento constructivo, longitud de pase (m��todos convencionales) o presi��n del frente (tuneladora) y las caracter��sticas geot��cnicas de los materiales donde se ejecuta el t��nel. Posteriormente se ha analizado que dise��o de pantalla de protecci��n tiene mejor eficacia respecto a la reducci��n de asientos, variando distintos par��metros de las caracter��sticas de la misma, como son el empotramiento, el tipo de micropilotes o pilote, la influencia del arriostramiento de las pantallas de protecci��n en cabeza, la inclinaci��n de la pantalla, la separaci��n de la pantalla al eje del t��nel y la disposici��n en doble fila de la pantalla de pantalla proyectada. Para finalizar el estudio de la efectividad de pantalla de protecci��n para la reducci��n de asiento, se estudiar�� la influencia de la sobrecarga cercanas (simulaci��n de edificios) tiene en la efectividad de la pantalla proyectada (desde el punto de vista de reducci��n de movimientos en superficie). Con objeto de poder comparar la efectividad de la pantalla de micropilotes respecto a la ejecuci��n de un paraguas de micropilotes se ha analizado distintos dise��os de paraguas, comparando el movimiento obtenido con el obtenido para el caso de pantalla de micropilotes, comparando ambos resultados con los medidos en obras ya ejecutadas. En otro apartado se ha realizado una comparaci��n entre tratamientos similar, compar��ndolos en este caso con un paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting. Los resultados obtenidos se han con valores de asientos medidos en distintas obras ya ejecutadas y cuyas secciones se corresponden a los empleados en los modelos num��ricos. Since the report on the state of technology in deep excavation and tunnelling in hard ground presented at the 7th Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Peck (1969) introduced the three issues to be taken into account for the design of tunnels in soft ground: o Cavity Stability during construction, with particular attention to the stability of the tunnel face; o Evaluation of ground movements induced by tunnelling and the effect of shallow underground workings on surface settlement; o Design of the tunnel support system to be installed to ensure short and long term stability of the structure. This thesis focuses on the issues identified in the second point, usually analysing different solutions designed to reduce the movements induced by tunnelling. The aim of the thesis is to analyse the influence of different micropile forepole umbrellas, micropile walls, jet grouting umbrellas and jet grouting wall designs on surface settlements during near surface tunnelling in order to use the most optimal technique to achieve a determined reduction in settlement. This will establish some criteria for designers to know a priori which methods are most effective (of those proposed in the thesis) to reduce surface settlements in tunnel design, so that it is possible to have qualitative and some quantitative data on the optimal designs, using the latest finite element modelling software that allows simulation of the ground���s infinitesimal strain behaviour using the Hardening Soil Small Model, which is a variation on the elasto-plastic hyperbolic model, similar to Hardening Soil model. In addition, this model incorporates a relationship between strain and the rigidity modulus, simulating different soil behaviour for small deformations (eg deformation vibrations below 10-5 and large deformations (deformations > 10-3). For the purpose of this thesis five tunnel sections have been chosen, two sections corresponding to TBM tunnels and three sections undertaken by conventional means (two sections corresponding to the Belgian method and one corresponding to the NATM). To achieve the objectives outlined, a correlation analysis of the relaxation values used in the 2D and 3D models was undertaken to verify them against parameters such as the tunnel cross-section, the depth of the tunnel, the construction method, the length of step (conventional method) or face pressure (TBM) and the geotechnical characteristics of the ground where the tunnel is constructed. Following this, the diaphragm wall design with the greatest efficiency regarding settlement reduction was analysed, varying parameters such as the toe depth, type of micropiles or piles, the influence of bracing of the head protection diaphragm walls, the inclination of the diaphragm wall, the separation between the diaphragm wall and the tunnel axis and the double diaphragm wall design arrangement. In order to complete the study into the effectiveness of protective diaphragm walls ofn the reduction of settlements, the influence of nearby imposed loads (simulating buildings) on the effectiveness of the designed diaphragm walls (from the point of view of reducing surface movements) will be studied. In order to compare the effectiveness of micropile diaphragm walls regarding the installation of micropile forepole umbrellas, different designs of these forepole umbrellas have been analysed comparing the movement obtained with that obtained for micropiled diaphragm walls, comparing both results with those measured from similar completed projects. In another section, a comparison between similar treatments has been completed, comparing the treatments with a forepole umbrella by jet grouting and jet grouting walls. The results obtained compared with settlement values measured in various projects already completed and whose sections correspond to those used in the numerical models.

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

El hormig��n es uno de los materiales de construcci��n m��s empleados en la actualidad debido a sus buenas prestaciones mec��nicas, moldeabilidad y econom��a de obtenci��n, entre otras ventajas. Es bien sabido que tiene una buena resistencia a compresi��n y una baja resistencia a tracci��n, por lo que se arma con barras de acero para formar el hormig��n armado, material que se ha convertido por m��ritos propios en la soluci��n constructiva m��s importante de nuestra ��poca. A pesar de ser un material profusamente utilizado, hay aspectos del comportamiento del hormig��n que todav��a no son completamente conocidos, como es el caso de su respuesta ante los efectos de una explosi��n. 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 explosi��n son, por desgracia, relativamente frecuentes. La solicitaci��n de una estructura ante una explosi��n se produce por el impacto sobre la misma de la onda de presi��n generada en la detonaci��n. La aplicaci��n de esta carga sobre la estructura es muy r��pida y de muy corta duraci��n. Este tipo de acciones se denominan cargas impulsivas, y pueden ser hasta cuatro ��rdenes de magnitud m��s r��pidas que las cargas din��micas impuestas por un terremoto. En consecuencia, no es de extra��ar que sus efectos sobre las estructuras y sus materiales sean muy distintos que las que producen las cargas habitualmente consideradas en ingenier��a. En la presente tesis doctoral se profundiza en el conocimiento del comportamiento material del hormig��n sometido a explosiones. Para ello, es crucial contar con resultados experimentales de estructuras de hormig��n sometidas a explosiones. Este tipo de resultados es dif��cil de encontrar en la literatura cient��fica, ya que estos ensayos han sido tradicionalmente llevados a cabo en el ��mbito militar y los resultados obtenidos no son de dominio p��blico. Por otra parte, en las campa��as 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 realizaci��n de ensayos con un elevado n��mero de muestras. Por este motivo, la dispersi��n experimental no es habitualmente controlada. Sin embargo, en elementos de hormig��n armado sometidos a explosiones, la dispersi��n experimental es muy acusada, en primer lugar, por la propia heterogeneidad del hormig��n, y en segundo, por la dificultad inherente a la realizaci��n de ensayos con explosiones, por motivos tales como dificultades en las condiciones de contorno, variabilidad del explosivo, o incluso cambios en las condiciones atmosf��ricas. Para paliar estos inconvenientes, en esta tesis doctoral se ha dise��ado un novedoso dispositivo que permite ensayar hasta cuatro losas de hormig��n bajo la misma detonaci��n, lo que adem��s de proporcionar un n��mero de muestras estad��sticamente representativo, supone un importante ahorro de costes. Con este dispositivo se han ensayado 28 losas de hormig��n, tanto armadas como en masa, de dos dosificaciones distintas. Pero adem��s de contar con datos experimentales, tambi��n es importante disponer de herramientas de c��lculo para el an��lisis y dise��o de estructuras sometidas a explosiones. Aunque existen diversos m��todos anal��ticos, hoy por hoy las t��cnicas de simulaci��n num��rica suponen la alternativa m��s avanzada y vers��til para el c��lculo 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 par��metros que gobiernan el comportamiento para el caso de carga en estudio. En este sentido, cabe destacar que la mayor��a de los modelos constitutivos desarrollados para el hormig��n a altas velocidades de deformaci��n proceden del ��mbito bal��stico, donde dominan las grandes tensiones de compresi��n en el entorno local de la zona afectada por el impacto. En el caso de los elementos de hormig��n sometidos a explosiones, las tensiones de compresi��n son mucho m��s moderadas, siendo las tensiones de tracci��n 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 par��metros que gobiernan el fallo de las losas de hormig��n armado ante explosiones son la resistencia a tracci��n y su ablandamiento tras rotura. En base a los resultados anteriores se ha desarrollado un modelo constitutivo para el hormig��n ante altas velocidades de deformaci��n, que s��lo tiene en cuenta la rotura por tracci��n. Este modelo parte del de fisura cohesiva embebida con discontinuidad fuerte, desarrollado por Planas y Sancho, que ha demostrado su capacidad en la predicci��n de la rotura a tracci��n de elementos de hormig��n en masa. El modelo ha sido modificado para su implementaci��n en el programa comercial de integraci��n expl��cita LS-DYNA, utilizando elementos finitos hexa��dricos e incorporando la dependencia de la velocidad de deformaci��n para permitir su utilizaci��n en el ��mbito din��mico. 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 campa��as experimentales, probando la hip��tesis de que el fallo de elementos de hormig��n ante explosiones est�� gobernado por el comportamiento a tracci��n, siendo de especial relevancia el ablandamiento del hormig��n. 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.

Estudio num��rico y experimental del efecto de tama��o en modo mixto de los paneles de yeso laminado y lana de roca

Los paneles s��ndwich de yeso laminado y lana de roca presentan una abundante patolog��a de fisuraci��n debida a flechas excesivas de forjados. Existe, por tanto, la necesidad de avanzar en la simulaci��n y predicci��n de comportamiento bajo solicitaciones de tracci��n y cortante de ese tipo de paneles, a pesar de que en las aplicaciones habituales no tienen responsabilidad estructural. El comportamiento de este material puede ser considerado cuasi-fr��gil, y en base a ello en este trabajo ha sido estudiado haciendo uso de modelos de fisura cohesiva, cuya aplicaci��n a otros materiales cuasifr��giles, como el hormig��n, ha aportado resultados muy satisfactorios. En esta comunicaci��n se presenta el trabajo realizado para estudiar el efecto del tama��o del elemento de yeso laminado y lana de roca en su comportamiento mec��nico-resistente. Para ello se dise���� una campa��a de ensayos en modo mixto sobre probetas de diferente tama��o. Se han realizado ensayos de flexi��n en tres puntos en modo mixto de unas probetas entalladas, geom��tricamente similares y de diferente tama��o, obteni��ndose las curvas carga-desplazamiento y cargaabertura de la boca de la entalla. Para simular num��ricamente el comportamiento en fractura del panel en modo mixto se ha utilizado un modelo de elementos finitos con fisura embebida basado en la fisura cohesiva en el que se introducen como entrada los par��metros obtenidos a partir de la experimentaci��n de trabajos anteriores, obteni��ndose un buen ajuste. En funci��n de estos resultados se analiza el efecto del tama��o en los paneles. Sandwich panels of laminated gypsum and rockwool have an abundant pathology of cracking due to excessive slabs deflection. Therefore, it is necessary to progress in the simulation and prediction of behaviour under tensile and shear load of such panels, although in typical applications have no structural responsability. The behaviour of this material may be considered quasi-brittle and, based on this idea, in this work has been studied using a cohesive crack model that has been applied to other quasi-brittle materials, such as concrete, and has provided very satisfactory results. This communication presents the work carried out to study the size effect of the specimen of plasterboard and rockwool in its mechanical and resistant behaviour. The authors designed an experimental campaign under mixed mode composed by testing specimens of different sizes. Assymetrical three-point bending tests have been performed on notched specimens, geometrically similar and of different size, to obtain load-displacement and load-crack moutn opening displacement curves. To numerically simulate the mixed-mode fracture behaviour of the panels we have used a finite element model with embedded crack, based on the cohesive crack model, using as input the experimental parameters obtained in previous work, obtaining a good adjustment. Based on these results we analyze the size effect of the panels

Efectos din��micos laterales en veh��culos y puentes ferroviarios sometidos a la acci��n de vientos transversales

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

Estudio num��rico y experimental del efecto de tama��o en modo mixto de los paneles de yeso laminado y lana de roca

Los paneles s��ndwich de yeso laminado y lana de roca presentan una abundante patolog��a de fisuraci��n debida a flechas excesivas de forjados. Existe, por tanto, la necesidad de avanzar en la simulaci��n y predicci��n de comportamiento bajo solicitaciones de tracci��n y cortante de ese tipo de paneles, a pesar de que en las aplicaciones habituales no tienen responsabilidad estructural. El comportamiento de este material puede ser considerado cuasi-fr��gil, y en base a ello en este trabajo ha sido estudiado haciendo uso de modelos de fisura cohesiva, cuya aplicaci��n a otros materiales cuasifr��giles, como el hormig��n, ha aportado resultados muy satisfactorios. En esta comunicaci��n se presenta el trabajo realizado para estudiar el efecto del tama��o del elemento de yeso laminado y lana de roca en su comportamiento mec��nico-resistente. Para ello se dise���� una campa��a de ensayos en modo mixto sobre probetas de diferente tama��o. Se han realizado ensayos de flexi��n en tres puntos en modo mixto de unas probetas entalladas, geom��tricamente similares y de diferente tama��o, obteni��ndose las curvas carga-desplazamiento y cargaabertura de la boca de la entalla. Para simular num��ricamente el comportamiento en fractura del panel en modo mixto se ha utilizado un modelo de elementos finitos con fisura embebida basado en la fisura cohesiva en el que se introducen como entrada los par��metros obtenidos a partir de la experimentaci��n de trabajos anteriores, obteni��ndose un buen ajuste. En funci��n de estos resultados se analiza el efecto del tama��o en los paneles. Sandwich panels of laminated gypsum and rockwool have an abundant pathology of cracking due to excessive slabs deflection. Therefore, it is necessary to progress in the simulation and prediction of behaviour under tensile and shear load of such panels, although in typical applications have no structural responsability. The behaviour of this material may be considered quasi-brittle and, based on this idea, in this work has been studied using a cohesive crack model that has been applied to other quasi-brittle materials, such as concrete, and has provided very satisfactory results. This communication presents the work carried out to study the size effect of the specimen of plasterboard and rockwool in its mechanical and resistant behaviour. The authors designed an experimental campaign under mixed mode composed by testing specimens of different sizes. Assymetrical three-point bending tests have been performed on notched specimens, geometrically similar and of different size, to obtain load-displacement and load-crack moutn opening displacement curves. To numerically simulate the mixed-mode fracture behaviour of the panels we have used a finite element model with embedded crack, based on the cohesive crack model, using as input the experimental parameters obtained in previous work, obtaining a good adjustment. Based on these results we analyze the size effect of the panels.

Estudio y aplicaci��n de redes neuronales artificiales al an��lisis y dise��o de antenas reflectarrays

En los ��ltimos a��os, estamos siendo testigos de la alta implantaci��n en la sociedad de dispositivos de comunicaci��n. Lo que hace a��os estaba reservado a un p��blico reducido, con claras necesidades en comunicaci��n, se ha trasladado al p��blico general, dado la amplia variedad de servicios que sobre los nuevos medios de comunicaci��n se han desarrollado. De hecho, el mayor tr��fico de datos en la actualidad no se produce al hilo de necesidades de m��xima importancia, sino como producto de nuevos h��bitos cotidianos. En este contexto de renovaci��n tecnol��gica constante en busca de la eficiencia, las antenas reflectoras reflectarray (o, simplemente, los reflectarrays, RAs, [1]) se presentan como una opci��n competitiva contra los reflectores parab��licos met��licos. En su versi��n m��s simple, una antena reflectarray se trata de una estructura compuesta de un elemento alimentador radiante, como puede ser una bocina, y de una superficie plana, consistente en multitud de elementos individuales dispuestos en una rejilla peri��dica. Sobre esta superficie plana, los frentes de onda provenientes del alimentador son reflejados formando frentes de ondas planas, de una manera an��loga a como lo hace un reflector parab��lico. A partir de la configuraci��n inicial, y centr��ndose en el principio de funcionamiento, se ha ido modificando el tipo de elemento RA empleado, consiguiendo RA cada vez m��s operativos. Es, sobre todo, con el nacimiento de la tecnolog��a impresa cuando las antenas RAs vuelven a cobrar inter��s. Aunque el uso de tecnolog��a impresa supuso un gran impulso en los RAs, tambi��n abri�� otros desaf��os en lo que al dise��o de ellos se refiere. Desde el punto de vista del an��lisis, es com��n suponer que el elemento RA se encuentra en un ambiente infinitamente peri��dico, de forma que se puedan aplicar las condiciones de contorno de Floquet (suposici��n de periodicidad local). Desde un punto de vista funcional, en general, los elementos RA de tecnolog��a impresa presentan un ancho de banda reducido, que condiciona el ancho de banda del RA completo. Entre las soluciones aportadas, es com��nmente aceptado que las estructuras multicapa, con resonadores a distintas frecuencias cercanas, pueden mitigar en parte el problema del ancho de banda. Por ello, en la actualidad, los elementos RA m��s comunes est��n compuestos por varios elementos resonadores, cuyas dimensiones constituyen los par��metros de dise��o libres. Es decir, en funci��n de dichas dimensiones, el elemento RA tendr�� un valor del coeficiente de reflexi��n u otro. Esto supone un aumento en la complejidad a la hora de analizar dicho elemento por los m��todos num��ricos conocidos, como el M��todo de los Momentos (MoM) o el M��todo de Elementos Finitos (FEM, por las siglas de su traducci��n inglesa Finite Element Method), que redundar�� en un mayor tiempo de c��mputo en el an��lisis. Por otra parte, como se muestra en la Figura R.1, el dise��o de un RA conlleva analizar multitud de veces el elemento RA considerado. En efecto, se trata de un m��todo de dise��o indirecto, en donde las dimensiones de los par��metros geom��tricos libres de cada elemento RA se obtienen de manera iterativa usando un optimizador. Se ve claro, entonces, que el aumento en tiempo de an��lisis del elemento RA repercute en gran medida en el tiempo de dise��o total, por lo que una reducci��n en el tiempo de an��lisis del elemento RA podr��a ser muy beneficioso. Uno de los m��todos para conseguir reducir el tiempo de dise��o de un RA, que se puede encontrar en la literatura, es emplear un modelo de la respuesta del elemento RA en funci��n de los par��metros libres. La cuesti��n que aflora es cu��l es la herramienta id��nea para modelar la respuesta del elemento RA. En los ��ltimos a��os se han propuestos varias formas. La primera de ellas consist��a en encontrar un equivalente circuital. Esta aproximaci��n est�� bien extendida para otras estructuras EM, donde los equivalentes circuitales con componentes LC ofrecen respuestas muy precisas con respecto a las que ofrecen las estructuras EM en s��. A ra��z del car��cter no lineal de la respuesta, hay autores que han propuesto para el dise��o de RAs la creaci��n de tablas de datos (look up tables) que, para cada par��metro de dise��o de inter��s (suele ser el desfase introducido por el elemento) guardan las dimensiones de los par��metros geom��tricos libres asociados. De esta forma, consiguen un dise��o r��pido, pero poco vers��til, ya que la tabla ofrece un ��nico valor para cada entrada, por lo que es dif��cil jugar con m��s de una restricci��n de dise��o. M��s recientemente, se est�� comenzando a utilizar, para la caracterizaci��n de estructuras EM, unos sistemas llamados Redes Neuronales Artificiales (ANN, por sus siglas en ingl��s Artificial Neural Network). El uso fundamental de los mismos en EM es el de servir como interpoladores no lineales. Se trata de sistemas que admiten m��ltiples par��metros de entradas y m��ltiples par��metros de salida. Antes de poder ser usados como interpoladores, deben ser entrenados. Para ello, necesitan de un conjunto de pares de los par��metros de entrada a la red, con los valores de las salidas asociados. Algunos usos en electromagnetismo de las ANNs que se pueden encontrar en la literatura son: el modelado de filtros; la caracterizaci��n de dispositivos activos; la obtenci��n de modelos que aceleran los algoritmos que calculan la direcci��n de llegada en antenas de radar; o el dise��o de arrays de antenas. Volviendo al modelado de elementos RA, en este trabajo haremos uso de las ANNs para caracterizar distintos tipos de elementos RA. A lo largo de estos ��ltimos a��os, se ha considerado esta posibilidad como una de las m��s prometedoras. De hecho, podemos encontrar algunas pocas referencias al respecto, varias de las cuales han sido publicadas por distintos autores durante la elaboraci��n del trabajo recogido en esta Tesis. Como veremos, los resultados que vamos a presentar aportan novedades con respecto a la citada literatura. Particularmente, en este trabajo se ha realizado la caracterizaci��n de un elemento RA de tres capas, considerando hasta 9 par��metros de entrada (seis par��metros geom��tricos, las dos coordenadas del ��ngulo de incidencia, y la frecuencia) y 4 par��metros de salida complejos (los coeficientes de reflexi��n para dos polarizaciones ortogonales lineales). Haciendo uso de esta caracterizaci��n en el flujo de dise��o de RAs, se ha realizado el an��lisis y el dise��o de varias antenas RA con restricciones de dise��o de comunicaciones espaciales. Los resultados fueron exitosos comparados con los resultados obtenidos por los m��todos tradicionales. De manera puntualizada, podr��amos resumir las aportaciones que se ver��n en esta Tesis como: Caracterizaci��n de distintos elementos RA mediante ANNs basadas en el Perceptr��n Multicapa (MLP). En concreto, se ha realizado con ��xito la caracterizaci��n de un elemento RA de parche acoplado a l��nea de retardo a trav��s de apertura; la caracterizaci��n de un elemento RA basado en dipolos sobre substratos de distintas caracter��sticas el��ctricas en el rango de centenas de GHz; y la caracterizaci��n de un elemento RA basado en 3 parches apilados, con 9 par��metros libres en su caracterizaci��n. Uso del FEM, de la t��cnica de segmentaci��n en subdominios y de la generaci��n y manipulaci��n de accesos MAM para el an��lisis y la caracterizaci��n de elementos RA mediante ANNs. Desarrollo de una nueva t��cnica de obtenci��n de muestras, para el caso de estructura multicapa cuyo estudio EM se pueda dividir en dos pasos: estudio de cada capa y conexi��n de capas. De esta forma, se ha podido reducir en varios ��rdenes de magnitud el tiempo necesario para obtener el set de entrenamiento de las ANNs. Valoraci��n del uso de distintos m��todos de entrenamiento de segundo orden para el entrenamiento de redes ANN MLP, en la caracterizaci��n de elementos RA. Desarrollo de una nueva t��cnica para realizar el entrenamiento de redes ANNs basadas en el MLP, denominada como Entrenamiento en Cascada. Dado el alto n��mero de par��metros a caracterizar, era dif��cil conseguir una red que, partiendo del n��mero de entradas deseado, proporcionara convergencia con precisi��n suficiente. Con el algoritmo propuesto y probado en esta Tesis, se consigui�� entrenar redes de 8 par��metros de entradas (el noveno par��metro, la frecuencia, correspond��a a redes diferentes para cada valor) con gran precisi��n. Desarrollo de un m��todo adaptativo para mejorar la precisi��n de las ANNs en el an��lisis de antenas RA. Este m��todo, basado en re-entrenar las ANNs para sub rangos de los par��metros de entrada en donde el error es mayor, aporta una precisi��n mayor, al mejorar el entrenamiento global de las ANNs, en un tiempo aceptable, ya que solo se incluyen nuevas muestras en torno a los valores donde el error es mayor. ������An��lisis de antena RA completa, con cobertura seg��n especificaciones de la misi��n AMAZONAS (haz conformado, banda Ku), usando las caracterizaci��n el elemento RA obtenida mediante ANNs. La mejora en tiempo de an��lisis conseguida con respecto al uso del MoM est�� en un factor 102, con precisiones comparables. ������Dise��o de antenas RA completas, con especificaciones de haz pincel y EuTELSAT (banda Ku). De nuevo, la mejora en tiempo de dise��o conseguida est��n en torno a 102. De todos los puntos anteriores, son de destacar los dos ��ltimos, que forman el objetivo principal de esta Tesis. Esto es, el uso de modelos r��pidos de elementos RA mediante ANNs para el an��lisis y el dise��o de antenas para comunicaciones por sat��lite.

An��lisis del comportamiento din��mico de un viaducto ferroviario sobre el Ca��o el ��guila, situado en la l��nea de alta velocidad Sevilla-C��diz

En este proyecto se realizar�� un an��lisis del comportamiento din��mico de un viaducto hiperest��tico, situado en la l��nea de alta velocidad Sevilla-C��diz. Para ello se realizar�� un modelo de elementos finitos a partir de los datos de proyecto y de los resultados de la prueba de carga. En el trabajo se analizar��n los modos de oscilaci��n y frecuencias propias, se reproducir��n los resultados de la prueba de carga del viaducto, se verificar��n los requisitos din��micos establecidos en la IAPF-2007, se analizar�� el comportamiento din��mico del viaducto sometido a modelos de carga que consideran la interacci��n veh��culo estructura.

Esfuerzos inducidos en presas, arco-gravedad en operaci��n por la acci��n t��rmica medioambiental : una aportaci��n a su an��lisis y evaluaci��n

Cyclic fluctuations of the atmospheric temperature on the dam site, of the water temperature in the reservoir and of the intensity of solar radiation on the faces of the dam cause significant stresses in the body of concrete dams. These stresses can be evaluated first by introducing in analysis models a linear temperature distribution statically equivalent to the real temperature distribution in the dam; the stress val��es obtained from this first step must be complemented (especially in the ��rea of dam faces) with the stress val��es resuiting from the difference between the real temperature law and the linear law at each node. In the case of arch gravity dams, and because of their characteristics of arch dam featuring a thick section, both types of temperature-induced stresses are of similar importance. Thermal stress val��es are directly linked to a series of factors: atmospheric and water temperature and intensity of solar radiation at dam site, site latitude, azimuth of the dam, as well as geometrical characteristics of the dam and thermal properties of concrete. This thesis first presents a complete study of the physical phenomenon of heat exchange between the environment and the dam itself, and establishes the participation scheme of all parameters involved in the problem considered. A detailed documental review of available methods and techniques is then carried out both for the estimation of environmental thermal loads and for the evaluation of the stresses induced by these loads. Variation ranges are also established for the main parameters. The definition of the geometrical parameters of the dam is provided based on the description of a wide set of arch gravity dams built in Spain and abroad. As a practical reference of the parameters defining the thermal action of the environment, a set of zones, in which thermal parameters reach homogeneous val��es, was established for Spain. The mean valu�� and variation range of atmospheric temperature were then determined for each zone, based on a series of historical val��es. Summer and winter temperature increases caused by solar radiation were also defined for each zone. Since the hypothesis of thermal stratification in the reservoir has been considered, m��ximum and m��nimum temperature val��es reached at the bottom of the reservoir were determined for each climatic zone, as well as the law of temperature variation in function of depth. Various dam-and-foundation configurations were analysed by means of finite element 3D models, in which the dam and foundation were each submitted to different load combinations. The seasonal thermal behaviour of sections of variable thickness was analysed through the application of numerical techniques to one-dimensional models. Contrasting the results of both analyses led to conclusions on the influence of environmental thermal action on the stress conditions of the structure. Las oscilaciones peri��dicas de la temperatura ambiente en el emplazamiento y de la temperatura del agua en el embalse, as�� como de la incidencia de la radiaci��n solar sobre los paramentos de la presa, son causa de tensiones importantes en el cuerpo de las presas de hormig��n. Estas tensiones pueden ser evaluadas en primer lugar introduciendo en los modelos tridimensionales de an��lisis, distribuciones lineales de temperatura est��ticamente equivalentes a las correspondientes distribuciones reales en el cuerpo de la presa; las tensiones as�� obtenidas han de complementarse (sobre todo en las cercan��as de los paramentos) con tensiones cuyo origen est�� en la temperatura diferencia entre la ley real y la lineal en cada punto. En el caso de las presas arco-gravedad y en raz��n de su doble caracter��stica de presas arco y de secci��n gruesa, ambas componentes de la tensi��n inducida por la temperatura son de magnitud similar. Los valores de estas tensiones de origen t��rmico est��n directamente relacionados con la temperatura del emplazamiento y del embalse, con la intensidad de la insolaci��n, con la latitud y el azimut de la presa, con las caracter��sticas geom��tricas de la estructura y con las propiedades t��rmicas del hormig��n. En esta tesis se realiza, en primer lugar, un estudio completo del fen��meno f��sico del intercambio de calor entre el medio ambiente y el cuerpo de la presa, estableciendo el mecanismo de participaci��n de todos los par��metros que configuran el problema. En segundo lugar se realiza a cabo una revisi��n documental detallada de los m��todos y t��cnicas utilizables tanto en la estimaci��n de las cargas t��rmicas ambientales como en la evaluaci��n de las tensiones inducidas por dichas cargas. En tercer lugar se establecen rangos de variaci��n para los principales par��metros que configuran el problema. Los par��metros geom��tricos de la presa se definen a partir de la descripci��n de un amplio conjunto de presas arco-gravedad tanto espa��olas como del resto del mundo. Como referencia pr��ctica de los par��metros que definen la acci��n t��rmica ambiental se establecen en Espa��a un conjunto de zonas caracterizadas por que, en cada una de ellas, los par��metros t��rmicos alcanzan valores homog��neos. As��, y en base a series de valores hist��ricos, se establecen la media y la amplitud de la variaci��n anual de la temperatura ambiental en cada una de las zonas. Igualmente, se han definido para cada zona los incrementos de temperatura que, en invierno y en verano, produce la insolaci��n. En relaci��n con el agua del embalse y en la hip��tesis de estratificaci��n t��rmica de este, se han definido los valores, aplicables en cada una de las zonas, de las temperaturas m��xima y m��nima en el fondo as�� como la ley de variaci��n de la temperatura con la profundidad. Utilizando modelos tridimensionales de elementos finitos se analizan diferentes configuraciones de la presa y la cimentaci��n sometidas, cada una de ellas, a diferentes combinaciones de carga. Aplicando t��cnicas num��ricas a modelos unidimensionales se analiza el comportamiento t��rmico temporal de secciones de espesor variable. Considerando conjuntamente los resultados de los an��lisis anteriores se obtienen conclusiones parametrizadas de detalle sobre la influencia que tiene en el estado tensional de la estructura la consideraci��n de la acci��n t��rmica ambiental.

Comportamiento estructural de tuber��as forzadas y blindajes en saltos hidroel��ctricos : propuestas de dise��o y c��lculo

En los ��ltimos a��os ha aumentado el inter��s en el desarrollo de proyectos en el ��mbito de las centrales hidroel��ctricas y en concreto en las centrales reversibles. Estas centrales est��n dise��adas para grandes caudales y saltos, lo cual conlleva t��neles de gran di��metro y alta presi��n y a menudo son esquemas subterr��neos. Por ello, los estudios relativos a revestimientos de t��neles en presi��n y los referentes a los blindajes de acero han cobrado una mayor relevancia. En las d��cadas de los 60 y 70 se realiz�� una importante labor de investigaci��n coincidiendo con el desarrollo hidroel��ctrico en Europa y Norteam��rica, que sin embargo ha quedado sin continuidad hasta esta d��cada, en la que se ha experimentado un impulso debido al desarrollo de nuevos proyectos hidroel��ctricos de gran magnitud. La adecuaci��n de los m��todos de c��lculo de blindajes supone una herramienta imprescindible en el correcto desarrollo t��cnico de los nuevos proyectos hidroel��ctricos, as�� como para la evaluaci��n de la seguridad de los saltos hidroel��ctricos existentes en operaci��n. En la presente Tesis se realiza un an��lisis del comportamiento estructural de las galer��as en presi��n de saltos hidroel��ctricos, as�� como una discusi��n y revisi��n de los m��todos de c��lculo existentes. En concreto se analizan los siguientes aspectos: ������Descripci��n y comparaci��n de las formulaciones existentes para el c��lculo de blindajes tanto a presi��n exterior como interior. ������Aplicaci��n del M��todo de Elementos Finitos para la modelizaci��n y c��lculo resistente y frente a inestabilidad de blindajes sometidos a presi��n exterior. ������An��lisis de un caso real, en el que se ha producido un fallo estructural en un blindaje sometido a presi��n exterior. Discusi��n sobre el comportamiento de blindajes con rigidizadores. Estudio param��trico de la capacidad resistente y de la estabilidad de los blindajes con rigidizadores. ������Estudio del comportamiento diferenciado entre un rigidizador y un conector. ������Detalles constructivos y de durabilidad de las galer��as en presi��n. ������Desarrollo de una metodolog��a para el c��lculo de blindajes y tuber��as forzadas a fatiga derivada de las variaciones de presi��n de la conducci��n. ������An��lisis de un caso real de una tuber��a forzada sometida a procesos de variaci��n de carga, evaluando su seguridad frente a la fatiga. El c��lculo de blindajes en galer��as forzadas presenta una serie de aspectos complejos, y que no permiten la definici��n del problema con exactitud, tales como las caracter��sticas del macizo rocoso y su permeabilidad, la determinaci��n del nivel fre��tico, la holgura existente entre el blindaje y el revestimiento del trasd��s y sus posibles defectos geom��tricos. Por estas incertidumbres, el c��lculo de blindajes supone una materia compleja y que debe ser abordada desde la cautela y el an��lisis de otros trabajos y/o an��lisis realizados con anterioridad. En cualquier caso, debe realizarse un an��lisis de sensibilidad de los diversos par��metros que intervienen en el c��lculo. En esta tesis se han descrito las principales formulaciones de c��lculo de blindajes de galer��as forzadas sometidas a presi��n interior y exterior; se ha constatado que existe una gran diversidad y que de su aplicaci��n no se llega a resultados concluyentes. Las formulaciones cl��sicas utilizadas en el c��lculo de blindajes lisos y con rigidizadores sometidos a presi��n exterior (Amstutz y Jacobsen) no resultan del todo adecuadas ni son de aplicaci��n general. Adem��s, pueden arrojar resultados no conservadores o conducir a un sobredimensionamiento del blindaje en otros casos. En las formulaciones tradicionales de dise��o se han tenido en cuenta como imperfecciones la holgura del blindaje y la ovalidad del mismo. En la presente tesis, se han analizado imperfecciones de tipo ondulatorio derivadas de los procesos de soldadura y la existencia de espesores reducidos en zonas de corrosi��n. En el caso pr��ctico analizado sometido a presi��n exterior, se ha comprobado el funcionamiento real del blindaje mediante los modelos realizados con elementos finitos. Se desprende que los rigidizadores no han funcionado como tales, puesto que para blindajes lisos se obtienen presiones m��s bajas de pandeo y para el caso de funcionamiento correcto de los rigidizadores se habr��a obtenido un coeficiente de seguridad suficiente. Por este motivo, se ha analizado el posible funcionamiento de los rigidizadores, que en determinados casos pueden actuar como conectores. En estos casos deben dimensionarse de forma adecuada las soldaduras para soportar las tensiones entre chapa y conector. Por otra parte, tradicionalmente no se han tenido en cuenta los efectos de fatiga que pueden ocasionar los golpes de ariete y las pulsaciones de presi��n debidas a la regulaci��n secundaria de la red. En esta tesis se ha establecido un procedimiento de comprobaci��n de tuber��as forzadas y blindajes sometidos a procesos de fatiga. Adicionalmente, se ha estudiado el caso real de las tuber��as forzadas de una central reversible real (Bolarque II) en funcionamiento de regulaci��n secundaria. Se ha concluido, como en otros casos analizados en la bibliograf��a, que las pulsaciones derivadas de la regulaci��n secundaria no son significativas como para tener en cuenta la fatiga del acero. Por otra parte, las maniobras de arranque y parada (golpe de ariete) suponen una variaci��n importante de la presi��n en la conducci��n. Sin embargo, el moderado n��mero de ciclos permite asegurar la integridad de la tuber��a frente a fen��menos de fatiga. Nowadays, there is a significant concern in the development of projects in the field of hydroelectric power plants, particularly in the pump-storage projects. These plants are designed for high flow rates and heads, which entails large-diameter tunnels and high pressure ratios), and often as underground schemes. Therefore, this concern has reactivated studies about penstocks and in particular those related to steel liners. During the 1960s and 1970s due to hydropower-engineering development in Europe and North America, a major research effort was done. However, the increasing development of new large-scale hydropower projects has involved a renewed research effort during this decade. The adequacy of steel liner calculation methods is a very important issue in the proper technical development of new hydroelectric projects, and for the safety assessment of existing hydroelectric power plants in operation. In this work, an analysis of the structural behavior of pressure galleries in hydroelectric schemes was carried out. Also, a discussion and a review of existing calculation methods are included. In particular, the following issues have been considered: ������Description and comparison of existing formulations for calculating the liner response to both external and internal pressure. ������Analysis of an actual case study of a steel liner which failed due to external pressure. ������Application of the Finite Element Method to liner modeling and analysis subjected to external pressure. ������A parametric study of the shielding with stiffeners and discussion about the behavior of liner with stiffeners. ������Constructive aspects and durability of pressure galleries. ������Development of a methodology for estimating fatigue effects on penstocks and liners sue to pressure changes. ������Analysis of an actual case study of a penstock under varying load and assessment of its safety against fatigue. The project of a hydropower penstock is a complex issue, due to the uncertainties in the definition of the problem data, such as the characteristics of the rock mass and its permeability, the determination of the water table, the existing gap between the steel liner and the concrete of the backfill, the geometric imperfections... Hence, the design and analysis of a steel liner must be addressed cautiously and take into account a review of previous studies performed. Ever, a sensitivity analysis of the various parameters involved in the calculation should be performed. In this work, some of the most relevant formulations for liner design subjected to inside and outside pressure have been studied. As a whole, there is a wide variety and its application does not lead to conclusive results. The classical formulations used in the steel liner calculation either with or without stiffeners under external pressure (Amstutz and Jacobsen) are not entirely adequate Also, those can yield both conservative and non-conservative results in large ranges of application. Traditionally design approaches only considered initial gap and ovality as the most relevant geometric imperfections. Thus, little attention was paid to those caused either by welding or by thickness loss in corroded areas. In the case study analyzed in this thesis, the actual working of the liner under external pressure has been simulated by the Finite Element Method. Results show that the stiffeners have not performed as such, since for unstiffened liner lower buckling pressures are obtained and for proper performance of the stiffeners would give a sufficient safety factor. Hence, it must be pointed out that stiffeners may perform either as such or as connectors. For the latter, welding must be designed to properly withstand stresses between the shell and the stiffener. Likewise, the potential fatigue effects due to both water hammer and pressure pulsations due to secondary regulation of the network have not been considered in many studies. It has been included in this work a procedure for checking penstocks and liners under fatigue processes. Additionally, the penstock fatigue response of an actual pump storage project (Bolarque II, Spain) subjected to secondary control operation has been assessed. As in other cases discussed in the literature, pulsations derived from the secondary control are not significant to account for fatigue of steel. Moreover, the start and stop manoeuvres (water hammer) cause a significant change in penstock pressure. However, the moderate number of cycles ensures the integrity of the penstock against fatigue phenomena.

Elementos de contorno p-adaptables en problemas tridimensionales

Se presentan en este art��culo los resultados obtenidos con la aplicaci��n de la filosof��a de p-convergencia a problemas tridimensionales controlados por la ecuaci��n de Laplace. Se pretende con ello sintetizar las ventajas inherentes a la discretizaci��n de contorno y a la jerarquizaci��n de las funciones de interpolaci��n.

La extracci��n de soluciones ��ptimas en la versi��n p-adaptable del M��todo de los Elementos de Contorno

En este articulo se resumen las principales ideas relacionadas con la resoluci��n de problemas el��pticos mediante f��rmulas de representaci��n. El uso de una familia de funciones interpolantes jerarquizadas permite el establecimiento de un sistema de resoluci��n autoadaptable a un nivel de exactitud prefijado. Se incluye tambi��n una comparaci��n descriptiva con el m��todo de los elementos finitos. La extracci��n de una mejor soluci��n sin refinar la malla se obtiene en el M��todo de los Elementos de Contorno, gracias a la aplicaci��n de la f��rmula de representaci��n para puntos de contorno. Ello permite dise��ar una estrategia de indicadores y estimadores que mejora la eficacia de intentos anteriores y permite controlar el desarrollo de la soluci��n tanto en las versiones p como en la h o mixtos.

Sobre la versi��n p-adaptable del m��todo de los elementos de contorno

En este art��culo se resumen las principales ideas relacionadas con la resoluci��n de problemas el��pticos mediante f��rmulas de representaci��n. El uso de una familia de funciones interpolantes jerarquizadas permite el establecimiento de un sistema de resoluci��n autoadaptable a un nivel de exactitud prefijado. Se incluye tambi��n una comparaci��n descriptiva con el m��todo de los elementos finitos.

Elementos de contorno adaptables

Como es bien sabido, en el m��todo de los elementos finitos se suele hablar de dos tipos de convergencia. La primera, o convergencia h, se refiere a la mejora del resultado que se obtiene refinando la malla. Debido a la correspondencia elemento-variables nodales-funciones de interpolaci��n, ello implica un ajuste progresivo de los resultados en aquellas zonas donde se produce el refinamiento. Se trata del m��todo m��s usado cuando, de forma pragm��tica, se desea tener una idea de la convergencia de los resultados. Su principal inconveniente radica en el hecho que cada refinamiento exige el c��lculo de matrices de rigidez diferentes de las anteriores, de modo que la informaci��n debe ser rehecha en cada caso y, por tanto, los costes son elevados. El segundo m��todo analiza la convergencia p, o refinamiento de la aproximaci��n mediante el incremento del grado del polinomio definido sobre cada elemento. Se trata de abandonar la idea de asociar a cada nodo el valor f��sico de la variable correspondiente en la aproximaci��n t��pica: u ~ a1��1 + a2��2 + a3��3+ ��� + an��n; donde las funciones �� son unidad en el nodo correspondiente y cero en el resto. Por el contrario, se vuelve a la idea original de Ritz, semejante al de un desarrollo en la serie de Fourier, donde las funciones �� est��n definidas globalmente y los coeficientes de ponderaci��n no tienen por qu�� presentar un significado f��sico concreto. Evidentemente la vuelta no es total; se siguen manteniendo elementos y dentro de cada uno de ellos se establece una jerarqu��a de funciones ��i. Con esta situaci��n intermedia entre la globalidad absoluta de Ritz y la correspondencia absoluta de la discretizaci��n con las variables se consigue, por un lado, mantener una versatilidad suficiente para el ajuste por trozos y, por otro, refinar la aproximaci��n de forma inteligente ya que, al igual que sucede en una serie de Fourier, cada t��rmino que se a��ade produce un efecto menor, lo que posibilita el truncamiento cuando se alcanza un determinado nivel de precisi��n. Adem��s, puesto que cada �� tiene un soporte perfectamente definido desde un principio, cada etapa del refinamiento aprovecha todos los c��lculos anteriores y s��lo se necesita evaluar los nuevos t��rminos de la matriz de rigidez. La primera idea fue propuesta por Zienckiewicz et al.(1970), y posteriormente han desarrollado el m��todo Szabo et al.(1978), Babuska (1975,1978), Peano (1978)etc. El proceso operativo incluye as��: a)Establecimiento de una malla amplia sobre el dominio a analizar; b)Definici��n de una jerarqu��a de funciones de interpolaci��n dentro de cada elemento; c)Establecimiento de un "indicador" de las zonas que precisen la adici��n de nuevas funciones jerarquizadas; d)Establecimiento de un "estimador a posteriori" que eval��e el error cometido y precise el momento en que pueda ser detenido el proceso. Un m��todo que sigue los pasos anteriores se denomina autoadaptable y, como se puede comprender, resulta interesant��simo para problemas no triviales. En este art��culo, se contempla la posibilidad de extender las ideas anteriores al m��todo de los elementos de contorno.

El M��todo de los Elementos de Contorno en problemas din��micos

En esta nota se presentan algunas posibilidades de aplicaci��n de las t��cnicas de contorno a los problemas din��micos. El desarrollo hace especial hincapi�� en la situaci��n estacionaria puesto que es el ��rea en la que tenemos m��s experiencia. Ello no significa ninguna limitaci��n del m��todo ya que el uso de transformaciones integrales es una clara posibilidad de obtener soluciones transitorias. Uno de los ejemplos presentados se refiere al estado estacionario de una laja sometida a tracci��n c��clica, con y sin fisuras. El siguiente est�� relacionado con el c��lculo de las impedancias del suelo, necesarias para los estudios de interacci��n terreno-estructura y, finalmente, se presenta el efecto de ondas incidentes sobre cimientos r��gidos.