Mecánica de medios continuos y teoría de estructuras

En este capítulo se reflexiona sobre la evolución en el siglo XIX de lo que en Italia solían llamar scienza delle construzioni. En dos palabras: se trata de la aplicación de modelos de cálculo basados en la mecánica racional para determinar la seguridad de las construcciones. En este sentido, el XIX ofrece un cambio radical respecto al panorama de siglos anteriores, en los que lo fundamental era la experiencia constructiva y el proceso lento; lento tanto en la formación de técnicos como en la materialización de obras, donde la falta de herramientas de cálculo para prever comportamientos condujo en ocasiones al uso de modelos físicos a escala reducida para demostrar la seguridad de las construcciones o la factibilidad de su proceso edilicio. El capítulo se refiere exclusivamente a modelos abstractos (ni siquiera a los ensayos de laboratorio que pusieron de manifiesto nuevos fenómenos), a pesar de lo cual conviene arrancar con cuatro ejemplos reales, uno por cada cuarto de siglo que pongan de manifiesto los cambios de enfoques producidos en la construcción El primero es una celebrada estructura de madera cuya seguridad fue comprobada mediante ensayos sobre elementos a escala real. Insuperable en la elegancia de su diseño, el segundo, el viaducto de las Cabrillas (1851), fue proyectado y construido en piedra por Lucio del Valle en la cuesta de Contreras. El tercer ejemplo podría ser un puente colgante o «colgado», como se denominaban en la época, de los numerosos que se construyeron en España en la segunda mitad de siglo, pero, por su envergadura y tipología, se ha decidido escoger un caso más tardío: el viaducto del Salado, en la línea de ferrocarril Linares-Almería, proyecto de José Olano (1897) llevado a cabo por la compañía Fives-Lille. El proceso de lanzamiento por empuje hasta entroncar con el túnel del estribo izquierdo fue presenciado en enero de 1899 por un grupo de alumnos de la Escuela de Caminos encabezados por su director, Rogelio Inchaurrandieta, y diferentes profesores, entre los que se encontraban Serafín Freart, encargado de Mecánica Aplicada, y Luis Gaztelu, profesor de Puentes. Con sus pilas de alrededor de 110 m de altura y sus vanos de otro tanto, es un buen ejemplo de lo que] avier Mantero la llama «la gran invención de todo el siglo XIX: la viga en celosía, invención de tanta o mayor trascendencia que la bóveda de piedra para el arco" (Manterola, 2006. Aunque las cerchas de bronce del Panteón de Roma, debidas a Apolodoro de Damasco, o los esquemas de Palladio y las cubiertas de inglesias góticas son precursores de esta tipología (Mainstone, 1975), está laro que sólo en el siglo XIX el cálculo permitió racionalizar los diseños y alcanzar la simplicidad y efectividad que Manterola reconoce como invención. Finalmente, se hace referencia al puente de Golbardo en Santander, uno de los primeros de hormigón armado en España (1900). Este material llegará a su pleno desarrollo en el siglo XX, no sin vencer la desconfianza de sucesivas generaciones. En resumen, a los materiales clásicos, madera y piedra, se añaden en el siglo XIX los hierros y aceros, así como finalmente, el hormigón. Ello motiva una reconsideración de la tipología, de las ideas sobre seguridad estructural, sobre los métodos constructivos y sobre el cálculo que produce la gran eclosión en la representación abstracta del comportamiento de las construcciones, lo cual sólo es posible gracias al progreso de las ciencias. En este capítulo se intentará, en un primer apartado, resumir la experiencia teórica hasta que Coulomb escribe su magistral ensayo. A continuación se tratarán someramente las diferentes líneas de trabajo generadas en países extranjeros y, finalmente, se dará una visión personal de los esfuerzos llevados a cabo en España, que, aún disponiendo de centros docentes perfectamente conectados con lo que sucedía en el extranjero, no fue capaz de generar ninguna aportación original al debate internacional.

Puentes de fábrica romanos y medievales en la provincia de Cáceres

Mediante la presente tesis doctoral se pretende realizar un estudio sobre los puentes arco de fábrica, de época romana y medieval, existentes a lo largo y ancho de la provincia de Cáceres. Se trata, por tanto, de un periodo histórico que ocupa mil quinientos años desde el siglo I hasta el siglo XV1. Son más de medio centenar los ejemplos que hay de puentes de fábrica en este periodo de tiempo, pero hasta la fecha no se ha realizado ningún estudio sobre ellos que los analice de un modo global. El primer objetivo de esta tesis doctoral es la identificación de estos puentes, tarea nada fácil pues en la mayoría de los casos se carece de información que permita realizar una datación precisa de los mismos. Una vez identificados los puentes se hace un análisis “in situ” de ellos. En la visita de campo se han tomado fotografías de los mismos, se han realizado las mediciones que los medios posibles permitían y se ha efectuado una primera evaluación ingenieril de los puentes, analizando el estado de sus diferentes elementos (bóvedas, pilas, estribos, cimentación, etc.). Posteriormente, a la vista de los datos tomados, se ha realizado un estudio de cada uno de ellos, estudio que es tipológico, histórico, dimensional, de materiales constructivos, patológico y en último término estructural. Así, en cada estructura se ha definido su estado de conservación y las actuaciones que se consideran más importantes para su reparación y mantenimiento. Este punto es siempre un punto sensible pues no siempre una bien intencionada restauración es una buena restauración. Se han dado muchos casos en los que una reparación ha causado un perjuicio mayor que el beneficio que pretendía conseguir. Así, a veces, el empleo de un mortero equivocado en el rejuntado de una fábrica ha producido un ataque químico a los sillares de ésta, originando un claro perjuicio. El segundo objetivo de la tesis ha sido realizar un estudio paramétrico de los puentes. Es éste un estudio de sensibilidades de las diferentes variables que entran en juego en la definición de un puente arco. Se ha pretendido conocer cómo influye la variación de cada uno de estos parámetros en la estabilidad global de la estructura. El estudio paramétrico se ha realizado sobre un puente arco de una sola bóveda, para posteriormente completarlo con el estudio de un puente arco de varias bóvedas. Se ha analizado de qué manera influye en la estabilidad de un puente tanto la variación de cualquiera de las variables geométricas que lo definen como la variación de la propia resistencia de la fábrica que lo forma. Con este estudio se pretende contribuir a la construcción de un cuerpo de conocimiento de estas estructuras, que sume un pequeño grano de arena, a lo mucho ya existente, en el estudio de las mismas. Es sólo desde el conocimiento de estas obras como se puede llegar a una verdadera valoración de las mismas, y esta puesta en valor de las mismas será la que les reporte un mayor cuidado por parte de la sociedad.

An integrated approach to conceptual design of arch bridges with curved deck

El concepto de funicularidad se puede extender a estructuras lineales espaciales como, por ejemplo, los puentes arco con tablero curvo. Estas estructuras, especialmente pasarelas peatonales, son consecuencia de la necesidad de encajar trazados exigentes y de dar respuesta a nuevas demandas arquitectónicas. En las estructuras curvas el diseño conceptual juega un papel absolutamente esencial. Siempre ha sido así, pero en el caso presente, cabe resaltar que una errónea elección de la geometría conlleva una serie de problemas que se irán acumulando a lo largo del proceso de proyecto, de la construcción y de la vida de la estructura. En este trabajo se presenta SOFIA (Shaping Optimal Form with an Interactive Approach), una herramienta capaz de, conocida la geometría del tablero, de buscar automáticamente la forma del arco antifunicular correspondiente. El planteamiento seguido es conceptualmente el mismo que el utilizado en la búsqueda de formas óptimas en estructuras en dos dimensiones: el arco antifunicular es el que representa, para unas cargas dadas, el lugar geométrico de los puntos con momento flector nulo. La herramienta ha sido desarrollada en un entorno integrado, interactivo y paramético. Su implementación está ilustrada y unos ejemplos de análisis paramétricos están desarrollados. La posición transversal relativa entre tablero y arco ha sido investigada para obtener la configuración del puente estructuralmente más eficiente. Las pasarelas curvas se han convertido en un problema de ingeniería más común de lo habitual en el contexto de los desarrollos urbanos cuando el cliente está buscando un fuerte componente estético: un diseño conceptual adecuado permite obtener una estructura eficiente y elegante. Spatial arch bridges represent an innovative answer to demands on functionality, structural optimization and aesthetics for curved decks, popular in urban contexts. This thesis presents SOFIA (Shaping Optimal Form with an Interactive Approach), a methodology for conceptual designing of antifunicular spatial arch bridges with curved deck in a parametric, interactive and integrated environment. The approach and its implementation are in-depth described and detailed examples of parametric analyses are illustrated. The optimal deck-arch relative transversal position has been investigated for obtaining the most cost-effective bridge. Curved footbridges have become a more common engineering problem in the context of urban developments when the client is looking for a strong aesthetics component: an appropriate conceptual design allows to obtain an efficient and elegant structure.

Large scale multiphysics modeling of neurites

Situado en el límite entre Ingeniería, Informática y Biología, la mecánica computacional de las neuronas aparece como un nuevo campo interdisciplinar que potencialmente puede ser capaz de abordar problemas clínicos desde una perspectiva diferente. Este campo es multiescala por naturaleza, yendo desde la nanoescala (como, por ejemplo, los dímeros de tubulina) a la macroescala (como, por ejemplo, el tejido cerebral), y tiene como objetivo abordar problemas que son complejos, y algunas veces imposibles, de estudiar con medios experimentales. La modelización computacional ha sido ampliamente empleada en aplicaciones Neurocientíficas tan diversas como el crecimiento neuronal o la propagación de los potenciales de acción compuestos. Sin embargo, en la mayoría de los enfoques de modelización hechos hasta ahora, la interacción entre la célula y el medio/estímulo que la rodea ha sido muy poco explorada. A pesar de la tremenda importancia de esa relación en algunos desafíos médicos—como, por ejemplo, lesiones traumáticas en el cerebro, cáncer, la enfermedad del Alzheimer—un puente que relacione las propiedades electrofisiológicas-químicas y mecánicas desde la escala molecular al nivel celular todavía no existe. Con ese objetivo, esta investigación propone un marco computacional multiescala particularizado para dos escenarios respresentativos: el crecimiento del axón y el acomplamiento electrofisiológicomecánico de las neuritas. En el primer caso, se explora la relación entre los constituyentes moleculares del axón durante su crecimiento y sus propiedades mecánicas resultantes, mientras que en el último, un estímulo mecánico provoca deficiencias funcionales a nivel celular como consecuencia de sus alteraciones electrofisiológicas-químicas. La modelización computacional empleada en este trabajo es el método de las diferencias finitas, y es implementada en un nuevo programa llamado Neurite. Aunque el método de los elementos finitos es también explorado en parte de esta investigación, el método de las diferencias finitas tiene la flexibilidad y versatilidad necesaria para implementar mode los biológicos, así como la simplicidad matemática para extenderlos a simulaciones a gran escala con un coste computacional bajo. Centrándose primero en el efecto de las propiedades electrofisiológicas-químicas sobre las propiedades mecánicas, una versión adaptada de Neurite es desarrollada para simular la polimerización de los microtúbulos en el crecimiento del axón y proporcionar las propiedades mecánicas como función de la ocupación de los microtúbulos. Después de calibrar el modelo de crecimiento del axón frente a resultados experimentales disponibles en la literatura, las características mecánicas pueden ser evaluadas durante la simulación. Las propiedades mecánicas del axón muestran variaciones dramáticas en la punta de éste, donde el cono de crecimiento soporta las señales químicas y mecánicas. Bansándose en el conocimiento ganado con el modelo de diferencias finitas, y con el objetivo de ir de 1D a 3D, este esquema preliminar pero de una naturaleza innovadora allana el camino a futuros estudios con el método de los elementos finitos. Centrándose finalmente en el efecto de las propiedades mecánicas sobre las propiedades electrofisiológicas- químicas, Neurite es empleado para relacionar las cargas mecánicas macroscópicas con las deformaciones y velocidades de deformación a escala microscópica, y simular la propagación de la señal eléctrica en las neuritas bajo carga mecánica. Las simulaciones fueron calibradas con resultados experimentales publicados en la literatura, proporcionando, por tanto, un modelo capaz de predecir las alteraciones de las funciones electrofisiológicas neuronales bajo cargas externas dañinas, y uniendo lesiones mecánicas con las correspondientes deficiencias funcionales. Para abordar simulaciones a gran escala, aunque otras arquitecturas avanzadas basadas en muchos núcleos integrados (MICs) fueron consideradas, los solvers explícito e implícito se implementaron en unidades de procesamiento central (CPU) y unidades de procesamiento gráfico (GPUs). Estudios de escalabilidad fueron llevados acabo para ambas implementaciones mostrando resultados prometedores para casos de simulaciones extremadamente grandes con GPUs. Esta tesis abre la vía para futuros modelos mecánicos con el objetivo de unir las propiedades electrofisiológicas-químicas con las propiedades mecánicas. El objetivo general es mejorar el conocimiento de las comunidades médicas y de bioingeniería sobre la mecánica de las neuronas y las deficiencias funcionales que aparecen de los daños producidos por traumatismos mecánicos, como lesiones traumáticas en el cerebro, o enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad del Alzheimer. ABSTRACT Sitting at the interface between Engineering, Computer Science and Biology, Computational Neuron Mechanics appears as a new interdisciplinary field potentially able to tackle clinical problems from a new perspective. This field is multiscale by nature, ranging from the nanoscale (e.g., tubulin dimers) to the macroscale (e.g., brain tissue), and aims at tackling problems that are complex, and sometime impossible, to study through experimental means. Computational modeling has been widely used in different Neuroscience applications as diverse as neuronal growth or compound action potential propagation. However, in the majority of the modeling approaches done in this field to date, the interactions between the cell and its surrounding media/stimulus have been rarely explored. Despite of the tremendous importance of such relationship in several medical challenges—e.g., traumatic brain injury (TBI), cancer, Alzheimer’s disease (AD)—a bridge between electrophysiological-chemical and mechanical properties of neurons from the molecular scale to the cell level is still lacking. To this end, this research proposes a multiscale computational framework particularized for two representative scenarios: axon growth and electrophysiological-mechanical coupling of neurites. In the former case, the relation between the molecular constituents of the axon during its growth and its resulting mechanical properties is explored, whereas in the latter, a mechanical stimulus provokes functional deficits at cell level as a consequence of its electrophysiological-chemical alterations. The computational modeling approach chosen in this work is the finite difference method (FDM), and was implemented in a new program called Neurite. Although the finite element method (FEM) is also explored as part of this research, the FDM provides the necessary flexibility and versatility to implement biological models, as well as the mathematical simplicity to extend them to large scale simulations with a low computational cost. Focusing first on the effect of electrophysiological-chemical properties on the mechanical proper ties, an adaptation of Neurite was developed to simulate microtubule polymerization in axonal growth and provide the axon mechanical properties as a function of microtubule occupancy. After calibrating the axon growth model against experimental results available in the literature, the mechanical characteristics can be tracked during the simulation. The axon mechanical properties show dramatic variations at the tip of the axon, where the growth cone supports the chemical and mechanical signaling. Based on the knowledge gained from the FDM scheme, and in order to go from 1D to 3D, this preliminary yet novel scheme paves the road for future studies with FEM. Focusing then on the effect of mechanical properties on the electrophysiological-chemical properties, Neurite was used to relate macroscopic mechanical loading to microscopic strains and strain rates, and simulate the electrical signal propagation along neurites under mechanical loading. The simulations were calibrated against experimental results published in the literature, thus providing a model able to predict the alteration of neuronal electrophysiological function under external damaging load, and linking mechanical injuries to subsequent acute functional deficits. To undertake large scale simulations, although other state-of-the-art architectures based on many integrated cores (MICs) were considered, the explicit and implicit solvers were implemented for central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs). Scalability studies were done for both implementations showing promising results for extremely large scale simulations with GPUs. This thesis opens the avenue for future mechanical modeling approaches aimed at linking electrophysiological- chemical properties to mechanical properties. Its overarching goal is to enhance the bioengineering and medical communities knowledge on neuronal mechanics and functional deficits arising from damages produced by direct mechanical insults, such as TBI, or neurodegenerative evolving illness, such as AD.

Diseño óptimo de tableros de puentes mixtos de carretera hormigón-acero

El desarrollo de la nanotecnología de los materiales, la búsqueda de la optimización en los proyectos de ingeniería, ha emergido una verdadera evolución en el diseño de los puentes a nivel mundial. Europa surge como el génesis de los puentes mixtos en el mundo, grandes puentes y viaductos se hacen con la tipología de viga cajón y viga bijácena mixta. España, concibe la tipología de la doble acción mixta, como alternativa de optimizar los costes del acero. En este trabajo de fin de máster, se presenta una breve reseña de los puentes mixtos construidos en algunos países Europeos como lo son Alemania, Bélgica, Francia, España y Suecia. También se verán algunos ejemplos de los puentes construidos en Estados Unidos y otros países de américa. Además, se citan las consideraciones a tomar en cuenta en el diseño de un puente mixto de acuerdo a varios autores y el Eurocódigo. Los procesos constructivos de los elementos y la misma ejecución del puente es un aspecto sumamente importante, es por tal razón que también se hace mención de los aspectos a considerar en la fabricación de la viga metálica, la losa de hormigón y los tipos de montaje que se pueden utilizar en la fabricación del tablero. Además, los condicionantes que se deben tomar en cuenta cuando se va a ejecutar un tablero con la losa hormigonada “in situ” o prefabricada. En otro sentido se hace un análisis presupuestario de los posibles costes de aceros y hormigón de los modelos de puentes diseñados, suponiendo que se construirían en República Dominicana. Finalmente, se estipulan notas importantes según el Eurocódigo que se tuvieron en cuenta en los modelos de los puentes diseñados. Se realizaron tres modelo de viga con doble acción mixta y tres modelo de viga con simple acción mixta, para ver con cuál se tiene mayor optimización y poder hacer conclusiones y recomendaciones para los posteriores diseño de puentes mixtos.

Análisis de puentes de planta circular por el método de la lámina plegada

El comportamiento de los puentes de planta circular y sección transversal muy aligerada presenta un problema complejo, en cuanto a la distribución de esfuerzos(interacción, flexión-torsión, distorsión, reparto de esfuerzos entre las distintas almas, etc.). Para poder realizar un correcto estudio del mismo es necesario disponer de un método de cálculo que analice globalmente el comportamiento de la estructura. El método de la Lámina Plegada constituye una herramienta de trabajo eficaz y de fácil utilización, válida para estructuras de sección transversal constante. En este artículo se presenta una ampliación del método de la Lámina Plegada a este tipo estructural, así como un estudio paramétrico del comportamiento de un puente de sección cajón monocelular.

Un método de cálculo dinámico de tableros de puentes

En la actualidad el estudio del comportamiento de los tableros de puentes bajo ciertas acciones de carácter dinámico puede constituir un importante factor a considerar en el curso del proyecto. Ello se debe al progresivo incremento de la esbeltez de los tableros de puentes Y ello es debido a un progresivo incremento de la esbeltez de debido a causas múltiples, entre las que pueden citarse las de índole económica y las resultantes de un mejor conocimiento de la fenomenología estructural. Las acciones que son susceptibles de provocar una respuesta dinámica en un puente,son de origen vario: eólicas, sísmicas, impacto, circulación, etc. El carácter errático en su actuación,constituye una característica común a la mayoría de las excitaciones dinámicas y dificulta extraordinariamente una definición determinista adecuada de las mismas. Hasta la fecha se ha utilizado el métódo normal de análisis dinámico que corresponde al denominado cálculo quasi-estático.Es decir, la respuesta dinámica de una estructura se evalúa como el resultado obtenido de un cálculo estático (sin consideración de las fuerzas de inercia) multiplicado por un coeficiente de mayoración dinámica. De esta forma, se evita el cálculo dinámico de la estructura ,en general más complejo, pero exige el conocimiento de los coeficientes de mayoración dinámica. Por ello, se observa la necesidad de un cálculo dinámico completo en aquellos casos en los que la imprecisión del análisis quasi-estático es excesiva y se desea, por lo tanto, bien determinar el coeficiente de mayoración o bien el cálculo dinámico directo de la estructura.