Seismic performance case study of bridge pile cap foundation

The purpose of this report is to build a model that represents, as best as possible, the seismic behavior of a pile cap bridge foundation by a nonlinear static (analysis) procedure. It will consist of a reproduction of a specimen already built in the laboratory. This model will carry out a pseudo static lateral and horizontal pushover test that will be applied onto the pile cap until the failure of the structure, the formation of a plastic hinge in the piles due to the horizontal deformation, occurs. The pushover test consists of increasing the horizontal load over the pile cap until the horizontal displacement wanted at the height of the pile cap is reached. The output of this model will be a Skeleton curve that will plot the lateral load (kN) over the displacement (m), so that the maximum movement the pile cap foundation can reach before its failure can be calculated. This failure will be achieved when the load at that specific shift is equal to 85% of the maximum. The pile cap foundation finite element model was based on pile cap built for a laboratory experiment already carried out by the Master student Deming Zhang at Tongji University. Two different pile caps were tested with a difference in height above the ground level. While one has 0:3m, the other rises 0:8m above the ground level. The computer model was calibrated using the experimental results. The pile cap foundation will be programmed in a finite element environment called OpenSees (Open System for Earthquake Engineering Simulation [28]). This environment is a free software developed by Berkeley University specialized, as it name says, in the study of earthquakes and its effects on structures. This specialization is the main reason why it is being used for building this model as it makes it possible to build any finite element model, and perform several analysis in order to get the results wanted. The development of OpenSees is sponsored by the Pacific Earthquake Engineering Research Center through the National Science Foundation engineering and education centers program. OpenSees uses Tcl language to program it, which is a language similar to C++.

Ultimate bearing capacity at the tip of a pile in rock based on the modifed Hoek-Brown criterion

Highlights of this paper: a method for calculating the ultimate bearing capacity at the tip of a pile is presented; ultimate bearing capacity is generalized for the modified Hoek–Brown criterion; perfect plasticity, isotropy, weightless rock media, without inertial forces, Meyerhof׳s hypothesis are considered; all the formulation can be programmed in a spreadsheet.

Parametric analysis on bridge reinforced concrete elevated pile-cap foundations

Current design practices recommend to comply with the capacity protection principle, which pays special attention to ensuring an elastic response of the foundations under ground motion events. However, in cases such as elevated reinforced concrete (RC) pile-cap foundation typologies, this design criterion may lead to conservative designs, with excessively high construction costs. Reinforced concrete elevated pile-cap foundations is a system formed by a group of partially embedded piles connected through an aboveground stayed cap and embedded in soil. In the cases when they are subjected to ground motions, the piles suffer large bending moments that make it difficult to maintain their behavior within the elastic range of deformations. Aiming to make an in-depth analysis of the nonlinear behavior of elevated pile-cap foundations, a cyclic loading test was performed on a concrete 2x3 pile configuration specimen of elevated pile-cap foundation. Two results of this test, the failure mechanism and the ductile behavior, were used for the calibration of a numerical model built in OpenSees framework, by using a pushover analysis. The calibration of the numerical model enabled an in-depth study of the seismic nonlinear response of this kind of foundations. A parametric analysis was carried for this purpose, aiming to study how sensitive RC elevated pile-cap foundations are, when subjected to variations in the diameter of piles, reinforcement ratios, external loads, soil density or multilayer configurations. This analysis provided a set of ductility factors that can be used as a reference for design practices and which correspond to each of the cases analyzed.

Anticorrelation between Ion Acceleration and Nonlinear Coherent Structures from Laser-Underdense Plasma Interaction

In laser-plasma experiments, we observed that ion acceleration from the Coulomb explosion of the plasma channel bored by the laser, is prevented when multiple plasma instabilities such as filamentation and hosing, and nonlinear coherent structures (vortices/post-solitons) appear in the wake of an ultrashort laser pulse. The tailoring of the longitudinal plasma density ramp allows us to control the onset of these insabilities. We deduced that the laser pulse is depleted into these structures in our conditions, when a plasma at about 10% of the critical density exhibits a gradient on the order of 250 {\mu}m (gaussian fit), thus hindering the acceleration. A promising experimental setup with a long pulse is demonstrated enabling the excitation of an isolated coherent structure for polarimetric measurements and, in further perspectives, parametric studies of ion plasma acceleration efficiency.

A novel methodology to determine the mechanical properties of amorphous materials through instrumented nanoindentation

A novel methodology based on instrumented indentation was developed to characterize the mechanical properties of amorphous materials. The approach is based on the concept of a universal postulate that assumes the existence of a characteristic indentation pressure proportional to the hardness. This hypothesis was numerically validated. This method overcomes the limitation of the conventional indentation models (pile-up effects and pressure sensitivity materials).

Corrección del deslizamiento de una ladera en la autovia A-4. PK. 340 en el término municipal de Marmolejo, Jaén mediante pantalla de pilotes y sistemas de drenaje

En este proyecto se describe el cálculo y diseño de una serie de medidas correctoras propuestas a raíz de un deslizamiento de ladera que tuvo lugar en noviembre de 2010 y afectó a parte de la calzada de la autovía A-4 en el P.K. 340 entre Córdoba y Jaén; principalmente en la ejecución de una pantalla de pilotes como elemento estructural de estabilización y contención del terreno, por medio del método de equilibrio límite y cálculo del módulo de reacción o coeficiente de balasto horizontal, a través del empleo de los programas Slope/W y RIDO respectivamente. ABSTRACT This project describes the calculation and design of a series of proposed corrective measures following a landslide of which took place in November 2010 and hit part of the road A-4 on the P.K. 340 between Cordoba and Jaen, mainly in the execution of a pile wall as a structural element of stabilization and containment of the terrain, through the limit equilibrium method and calculating the reaction module or horizontal ballast coefficient, through employment of the Slope/W and RIDO programs respectively.

Combining a Similar Coefficient Identification Algorithm with the Boundary Element Method

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

Sobre el comportamiento de micropilotes trabajando a flexión y/o cortante en estructuras de tierra

El empleo de los micropilotes en la ingeniería civil ha revolucionado las técnicas de estabilización de terraplenes a media ladera, ya que aunque los pilotes pueden ser la opción más económica, el uso de micropilotes permite llegar a sitios inaccesibles con menor coste de movimientos de tierras, realización de plataformas de trabajo de dimensiones reducidas, maquinaria necesaria es mucho más pequeña, liviana y versátil en su uso, incluyendo la posibilidad de situar la fabricación de morteros o lechadas a distancias de varias decenas de metros del elemento a ejecutar. Sin embargo, realizando una revisión de la documentación técnica que se tiene en el ámbito ingenieril, se comprobó que los sistemas de diseño de algunos casos (micropilotes en terraplenes a media ladera, micropilotes en pantallas verticales, micropilotes como “paraguas” en túneles, etc.) eran bastante deficientes o poco desarrollados. Premisa que permite concluir que el constructor ha ido por delante (como suele ocurrir en ingeniería geotécnica) del cálculo o de su análisis teórico. Del mismo modo se determinó que en su mayoría los micropilotes se utilizan en labores de recalce o como nueva solución de cimentación en condiciones de difícil acceso, casos en los que el diseño de los micropilotes viene definido por cargas axiales, de compresión o de tracción, consideraciones que se contemplan en reglamentaciones como la “Guía para el proyecto y la ejecución de micropilotes en obras de carretera” del Ministerio de Fomento. En los micropilotes utilizados para estabilizar terraplenes a media ladera y micropilotes actuando como muros pantalla, en los que éstos trabajan a esfuerzo cortante y flexión, no se dispone de sistemas de análisis fiables o no se introduce adecuadamente el problema de interacción terreno-micropilote. Además en muchos casos, los parámetros geotécnicos que se utilizan no tienen una base técnico-teórica adecuada por lo que los diseños pueden quedar excesivamente del lado de la seguridad, en la mayoría de los casos, o todo lo contrario. Uno de los objetivos principales de esta investigación es estudiar el comportamiento de los micropilotes que están sometidos a esfuerzos de flexión y cortante, además de otros objetivos de gran importancia que se describen en el apartado correspondiente de esta tesis. Cabe indicar que en este estudio no se ha incluido el caso de micropilotes quasi-horizontales trabajando a flexion (como los “paraguas” en túneles), por considerarse que estos tienen un comportamiento y un cálculo diferente, que está fuera del alcance de esta investigación. Se ha profundizado en el estudio del empleo de micropilotes en taludes, presentando casos reales de obras ejecutadas, datos estadísticos, problemas de diseño y ejecución, métodos de cálculo simplificados y modelación teórica en cada caso, efectuada mediante el empleo de elementos finitos con el Código Plaxis 2D. Para llevar a cabo los objetivos que se buscan con esta investigación, se ha iniciado con el desarrollo del “Estado del Arte” que ha permitido establecer tipología, aplicaciones, características y cálculo de los micropilotes que se emplean habitualmente. Seguidamente y a efectos de estudiar el problema dentro de un marco geotécnico real, se ha seleccionado una zona española de actuación, siendo ésta Andalucía, en la que se ha utilizado de manera muy importante la técnica de micropilotes sobre todo en problemas de estabilidad de terraplenes a media ladera. A partir de ahí, se ha realizado un estudio de las propiedades geotécnicas de los materiales (principalmente suelos y rocas muy blandas) que están presentes en esta zona geográfica, estudio que ha sido principalmente bibliográfico o a partir de la experiencia en la zona del Director de esta tesis. Del análisis realizado se han establecido ordenes de magnitud de los parámetros geotécnicos, principalmente la cohesión y el ángulo de rozamiento interno (además del módulo de deformación aparente o de un módulo de reacción lateral equivalente) para los diversos terrenos andaluces. Con el objeto de conocer el efecto de la ejecución de un micropilote en el terreno (volumen medio real del micropilote, una vez ejecutado; efecto de la presión aplicada en las propiedades del suelo circundante, etc.) se ha realizado una encuesta entre diversas empresas españolas especializadas en la técnica de los micropilotes, a efectos de controlar los volúmenes de inyección y las presiones aplicadas, en función de la deformabilidad del terreno circundante a dichos micropilotes, con lo que se ha logrado definir una rigidez a flexión equivalente de los mismos y la definición y características de una corona de terreno “mejorado” lograda mediante la introducción de la lechada y el efecto de la presión alrededor del micropilote. Con las premisas anteriores y a partir de los parámetros geotécnicos determinados para los terrenos andaluces, se ha procedido a estudiar la estabilidad de terraplenes apoyados sobre taludes a media ladera, mediante el uso de elementos finitos con el Código Plaxis 2D. En el capítulo 5. “Simulación del comportamiento de micropilotes estabilizando terraplenes”, se han desarrollado diversas simulaciones. Para empezar se simplificó el problema simulando casos similares a algunos reales en los que se conocía que los terraplenes habían llegado hasta su situación límite (de los que se disponía información de movimientos medidos con inclinómetros), a partir de ahí se inició la simulación de la inestabilidad para establecer el valor de los parámetros de resistencia al corte del terreno (mediante un análisis retrospectivo – back-análisis) comprobando a su vez que estos valores eran similares a los deducidos del estudio bibliográfico. Seguidamente se han introducido los micropilotes en el borde de la carretera y se ha analizado el comportamiento de éstos y del talud del terraplén (una vez construidos los micropilotes), con el objeto de establecer las bases para su diseño. De este modo y adoptando los distintos parámetros geotécnicos establecidos para los terrenos andaluces, se simularon tres casos reales (en Granada, Málaga y Ceuta), comparando los resultados de dichas simulaciones numéricas con los resultados de medidas reales de campo (desplazamientos del terreno, medidos con inclinómetros), obteniéndose una reproducción bastante acorde a los movimientos registrados. Con las primeras simulaciones se concluye que al instalar los micropilotes la zona más insegura de la ladera es la de aguas abajo. La superficie de rotura ya no afecta a la calzada que protegen los micropilotes. De ahí que se deduzca que esta solución sea válida y se haya aplicado masivamente en Andalucía. En esas condiciones, podría decirse que no se está simulando adecuadamente el trabajo de flexión de los micropilotes (en la superficie de rotura, ya que no les corta), aunque se utilicen elementos viga. Por esta razón se ha realizado otra simulación, basada en las siguientes hipótesis: − Se desprecia totalmente la masa potencialmente deslizante, es decir, la que está por delante de la fila exterior de micros. − La estratigrafía del terreno es similar a la considerada en las primeras simulaciones. − La barrera de micropilotes está constituida por dos elementos inclinados (uno hacia dentro del terraplén y otro hacia fuera), con inclinación 1(H):3(V). − Se puede introducir la rigidez del encepado. − Los micros están separados 0,556 m ó 1,00 m dentro de la misma alineación. − El empotramiento de los micropilotes en el sustrato resistente puede ser entre 1,5 y 7,0 m. Al “anular” el terreno que está por delante de los micropilotes, a lo largo del talud, estos elementos empiezan claramente a trabajar, pudiendo deducirse los esfuerzos de cortante y de flexión que puedan actuar sobre ellos (cota superior pero prácticamente muy cerca de la solución real). En esta nueva modelación se ha considerado tanto la rigidez equivalente (coeficiente ϴ) como la corona de terreno tratado concéntrico al micropilote. De acuerdo a esto último, y gracias a la comparación de estas modelaciones con valores reales de movimientos en laderas instrumentadas con problemas de estabilidad, se ha verificado que existe una similitud bastante importante entre los valores teóricos obtenidos y los medidos en campo, en relación al comportamiento de los micropilotes ejecutados en terraplenes a media ladera. Finalmente para completar el análisis de los micropilotes trabajando a flexión, se ha estudiado el caso de micropilotes dispuestos verticalmente, trabajando como pantallas discontinuas provistas de anclajes, aplicado a un caso real en la ciudad de Granada, en la obra “Hospital de Nuestra Señora de la Salud”. Para su análisis se utilizó el código numérico CYPE, basado en que la reacción del terreno se simula con muelles de rigidez Kh o “módulo de balasto” horizontal, introduciendo en la modelación como variables: a) Las diferentes medidas obtenidas en campo; b) El espesor de terreno cuaternario, que por lo que se pudo determinar, era variable, c) La rigidez y tensión inicial de los anclajes. d) La rigidez del terreno a través de valores relativos de Kh, recopilados en el estudio de los suelos de Andalucía, concretamente en la zona de Granada. Dicha pantalla se instrumentó con 4 inclinómetros (introducidos en los tubos de armadura de cuatro micropilotes), a efectos de controlar los desplazamientos horizontales del muro de contención durante las excavaciones pertinentes, a efectos de comprobar la seguridad del conjunto. A partir del modelo de cálculo desarrollado, se ha comprobado que el valor de Kh pierde importancia debido al gran número de niveles de anclajes, en lo concerniente a las deformaciones horizontales de la pantalla. Por otro lado, los momentos flectores son bastante sensibles a la distancia entre anclajes, al valor de la tensión inicial de los mismos y al valor de Kh. Dicho modelo también ha permitido reproducir de manera fiable los valores de desplazamientos medidos en campo y deducir los parámetros de deformabilidad del terreno, Kh, con valores del orden de la mitad de los medidos en el Metro Ligero de Granada, pero visiblemente superiores a los deducibles de ábacos que permiten obtener Kh para suelos granulares con poca cohesión (gravas y cuaternario superior de Sevilla) como es el caso del ábaco de Arozamena, debido, a nuestro juicio, a la cementación de los materiales presentes en Granada. En definitiva, de las anteriores deducciones se podría pensar en la optimización del diseño de los micropilotes en las obras que se prevean ejecutar en Granada, con similares características al caso de la pantalla vertical arriostrada mediante varios niveles de anclajes y en las que los materiales de emplazamiento tengan un comportamiento geotécnico similar a los estudiados, con el consiguiente ahorro económico. Con todo ello, se considera que se ha hecho una importante aportación para el diseño de futuras obras de micropilotes, trabajando a flexión y cortante, en obras de estabilización de laderas o de excavaciones. Using micropiles in civil engineering has transformed the techniques of stabilization of embankments on the natural or artificial slopes, because although the piles may be the cheapest option, the use of micropiles can reach inaccessible places with lower cost of earthworks, carrying out small work platforms. Machinery used is smaller, lightweight and versatile, including the possibility of manufacturing mortars or cement grouts over distances of several tens of meters of the element to build. However, making a review of the technical documentation available in the engineering field, it was found that systems designed in some cases (micropiles in embankments on the natural slopes, micropiles in vertical cut-off walls, micropiles like "umbrella" in tunnels, etc.) were quite poor or underdeveloped. Premise that concludes the builder has gone ahead (as usually happen in geotechnical engineering) of calculation or theoretical analysis. In the same way it was determined that most of the micropiles are used in underpinning works or as a new foundation solution in conditions of difficult access, in which case the design of micropiles is defined by axial, compressive or tensile loads, considered in regulations as the " Handbook for the design and execution of micropiles in road construction" of the Ministry of Development. The micropiles used to stabilize embankments on the slopes and micropiles act as retaining walls, where they work under shear stress and bending moment, there are not neither reliable systems analysis nor the problem of soil-micropile interaction are properly introduced. Moreover, in many cases, the geotechnical parameters used do not have a proper technical and theoretical basis for what designs may be excessively safe, or the opposite, in most cases. One of the main objectives of this research is to study the behavior of micro piles which are subjected to bending moment and shear stress, as well as other important objectives described in the pertinent section of this thesis. It should be noted that this study has not included the case of quasi-horizontal micropiles working bending moment (as the "umbrella" in tunnels), because it is considered they have a different behavior and calculation, which is outside the scope of this research. It has gone in depth in the study of using micropiles on slopes, presenting real cases of works made, statistics, problems of design and implementation, simplified calculation methods and theoretical modeling in each case, carried out by using FEM (Finite Element Method) Code Plaxis 2D. To accomplish the objectives of this research, It has been started with the development of the "state of the art" which stipulate types, applications, characteristics and calculation of micropiles that are commonly used. In order to study the problem in a real geotechnical field, it has been selected a Spanish zone of action, this being Andalusia, in which it has been used in a very important way, the technique of micropiles especially in embankments stability on natural slopes. From there, it has made a study of the geotechnical properties of the materials (mainly very soft soils and rocks) that are found in this geographical area, which has been mainly a bibliographic study or from the experience in the area of the Director of this thesis. It has been set orders of magnitude of the geotechnical parameters from analyzing made, especially the cohesion and angle of internal friction (also apparent deformation module or a side reaction module equivalent) for various typical Andalusian ground. In order to determine the effect of the implementation of a micropile on the ground (real average volume of micropile once carried out, effect of the pressure applied on the properties of the surrounding soil, etc.) it has conducted a survey among various skilled companies in the technique of micropiles, in order to control injection volumes and pressures applied, depending on the deformability of surrounding terrain such micropiles, whereby it has been possible to define a bending stiffness and the definition and characteristics of a crown land "improved" achieved by introducing the slurry and the effect of the pressure around the micropile. With the previous premises and from the geotechnical parameters determined for the Andalusian terrain, we proceeded to study the stability of embankments resting on batters on the slope, using FEM Code Plaxis 2D. In the fifth chapter "Simulation of the behavior of micropiles stabilizing embankments", there were several different numerical simulations. To begin the problem was simplified simulating similar to some real in which it was known that the embankments had reached their limit situation (for which information of movements measured with inclinometers were available), from there the simulation of instability is initiated to set the value of the shear strength parameters of the ground (by a retrospective analysis or back-analysis) checking these values were similar to those deduced from the bibliographical study Then micropiles have been introduced along the roadside and its behavior was analyzed as well as the slope of embankment (once micropiles were built ), in order to establish the basis for its design. In this way and taking the different geotechnical parameters for the Andalusian terrain, three real cases (in Granada, Malaga and Ceuta) were simulated by comparing the results of these numerical simulations with the results of real field measurements (ground displacements measured with inclinometers), getting quite consistent information according to registered movements. After the first simulations it has been concluded that after installing the micropiles the most insecure area of the natural slope is the downstream. The failure surface no longer affects the road that protects micropiles. Hence it is inferred that this solution is acceptable and it has been massively applied in Andalusia. Under these conditions, one could say that it is not working properly simulating the bending moment of micropiles (on the failure surface, and that does not cut them), although beam elements are used. Therefore another simulation was performed based on the following hypotheses: − The potentially sliding mass is totally neglected, that is, which is ahead of the outer row of micropiles. − Stratigraphy field is similar to the one considered in the first simulations. − Micropiles barrier is constituted by two inclined elements (one inward and one fill out) with inclination 1 (H): 3 (V). − You can enter the stiffness of the pile cap. − The microlies lines are separated 0.556 m or 1.00 m in the same alignment. − The embedding of the micropiles in the tough substrate can be between 1.5 and 7.0 m. To "annul" the ground that is in front of the micro piles, along the slope, these elements clearly start working, efforts can be inferred shear stress and bending moment which may affect them (upper bound but pretty close to the real) solution. In this new modeling it has been considered both equivalent stiffness coefficient (θ) as the treated soil crown concentric to the micropile. According to the latter, and by comparing these values with real modeling movements on field slopes instrumented with stability problems, it was verified that there is quite a significant similarity between the obtained theoretical values and the measured field in relation to the behavior of micropiles executed in embankments along the natural slope. Finally to complete the analysis of micropiles working in bending conditions, we have studied the case of micropiles arranged vertically, working as discontinued cut-off walls including anchors, applied to a real case in the city of Granada, in the play "Hospital of Our Lady of the Health ". CYPE numeric code, based on the reaction of the ground is simulated spring stiffness Kh or "subgrade" horizontal, introduced in modeling was used as variables for analysis: a) The different measurements obtained in field; b) The thickness of quaternary ground, so that could be determined, was variable, c) The stiffness and the prestress of the anchors. d) The stiffness of the ground through relative values of Kh, collected in the study of soils in Andalusia, particularly in the area of Granada. (previously study of the Andalusia soils) This cut-off wall was implemented with 4 inclinometers (introduced in armor tubes four micropiles) in order to control the horizontal displacements of the retaining wall during the relevant excavations, in order to ensure the safety of the whole. From the developed model calculation, it was found that the value of Kh becomes less important because a large number of anchors levels, with regard to the horizontal deformation of the cut-off wall. On the other hand, the bending moments are quite sensitive to the distance between anchors, the initial voltage value thereof and the value of Kh. This model has also been reproduced reliably displacement values measured in the field and deduce parameters terrain deformability, Kh, with values around half the measured Light Rail in Granada, but visibly higher than deductible of abacuses which can obtain Kh for granular soils with low cohesion (upper Quaternary gravels and Sevilla) such as Abacus Arozamena, because, in our view, to cementing materials in Granada. In short, previous deductions you might think on optimizing the design of micropiles in the works that are expected to perform in Granada, with similar characteristics to the case of the vertical cut-off wall braced through several levels of anchors and in which materials location have a geotechnical behavior similar to those studied, with the consequent economic savings. With all this, it is considered that a significant contribution have been made for the design of future works of micropiles, bending moment and shear stress working in slope stabilization works or excavations.

Análisis de la degradación, desintegración y biodegradabilidad de bolsas de poliéster y almidón en compostaje de residuos urbanos: escalas de laboratorio e industrial

El principal objetivo de esta tesis es verificar que las bolsas biodegradables de copoliéster (PBAT) con base de almidón (UNE 13432: 2001) alcanzan los niveles de degradación y desintegración requeridos para su certificación (%D= ≥ 90%), medido en condiciones reales de compostaje industrial. Para lograr mayor representatividad, los ensayos se han realizado en dos plantas de tratamiento de residuos urbanos en las que se aplican las técnicas de compostaje más comunes en el ámbito europeo y nacional, pila y túnel, mediante el compostaje de la FORSU. Se llevaron a cabo dos tipos de ensayos. Por un lado se realizó un ensayo escala de laboratorio (ISO 14855), orientado como indicador de la biodegradabilidad del polímero en el formato bolsa comercializado. Por otro lado, se desarrollaron una batería de ensayos realizados en dos plantas de compostaje de residuos urbanos: el Centro de Tratamiento de Residuos de Torija (Ávila), que realiza el compostaje mediante pila volteada, y el Centro de Tratamiento de Residuos de Arenas de San Pedro (Ávila), que realiza el compostaje en túnel. Para la obtención de resultados se han contrastado parámetros como el porcentaje de biodegradación (%B), el porcentaje de desintegración (%D), degradación superficial de las muestras, calidad de la FORSU inicial (caracterizaciones y análisis físico-químico) y calidad del MB final (análisis físico-químico e IG). Atendiendo al objetivo general se demuestra que las bolsas de copoliéster con base de almidón certificadas (UNE EN 13432:2001) han alcanzado el 94,37% ± 0,007% de desintegración en la planta de compostaje de FORSU con pila volteada; y el 86,36% ± 0,151% en la planta de compostaje de FORSU con túnel estático. A pesar de la aparente diferencia, el resultado del análisis concluye que no existen diferencias estadísticamente significativas entre técnicas de compostaje. La presencia de impropios y el contendido de metales pesados en la FORSU no han influido en la desintegración de las bolsas de estudio. En cambio, se ha detectado una influencia estadísticamente significativa entre el contenido de materia orgánica total y de nutrientes de la FORSU y el porcentaje de desintegración de las muestras. No se detectado una relación estadísticamente significativa entre la presencia de bolsas de estudio en las concentraciones definidas, y la calidad del MB, medido mediante el análisis físico-químico, microbiológico y el IG del MB. La concentración de los metales pesados en la mayoría de las muestras de material bioestabilizado cumplió con los límites establecidos para la categoría A, aplicable al “compost” procedente de la fracción orgánica recogida de forma separada según el RD 506/2013 de productos fertilizantes. También se detectó fitotoxicidad alta (FA) según la metodología y criterios de valoración definidos. Esta fitotoxicidad no está relacionada con la presencia de las bolsas de estudio sino con la calidad de la FORSU de partida y/o con los productos liberados durante el proceso de compostaje. ABSTRACT The main objective of this thesis is to verify that the copolyester (PBAT) starch based (UNE 13432: 2001) biodegradable bags reach levels of degradation and disintegration required for it´s certification (% D = ≥ 90%), measured in terms of real industrial composting. The tests were performed at two municipal solid waste (MSW) treatment plants, where the most common composting techniques applied at European and national level were represented, windrow and tunnel. Two types of tests were carried out: First, a laboratory scale test (ISO 14855), as an indicator of the polymer biodegradation of the commercialized bag format. Second, a battery of tests was conducted at two MSW composting plants, Waste Treatment Center of Torija (Guadalajara), that makes compost by turned pile, and the Waste Treatment Center of Arenas de San Pedro (Ávila), where makes compost by static tunnel. To obtain the results, the parameters such as the biodegradation percentage (% B), the disintegration percentage (% D), surface degradation of the samples, the initial quality of FORSU (characterizations and physico-chemical analysis) and bioestabilithated material (MB) quality (physico-chemical analysis and IG) have been compared. In reference to the general aim It shows that the copolyester starch based certified (UNE-EN 13432) bags have reached 94.37% ± 0.007% of disintegration in the composting turned pile; and 86.36% ± 0.151% in the static tunnel. Despite the apparent difference, the result of the analysis concludes that there are no statistically significant differences between composting techniques. The presence of non-compostable materials and the heavy metals content in the FORSU has not affected in the disintegration of the bags. Instead, It has been detected a statistically significant influence over the total organic matter content and nutrient content in the FORSU and the samples disintegration percentage. A statistically significant relationship between the bag presence in the defined concentrations and the quality of MB measured by physical-chemical analysis, microbiological analysis and IG of the MB is not detected. The concentration of heavy metals in most MB samples was within the limits of A-Class, applicable to "compost" from organic waste collected separately according to RD 506/2013 of fertilizers. High phytotoxicity (FA) was also detected according to the methodology and evaluation defined. The phytotoxicity is not related to the presence of bags but it is with the FORSU initial quality and/or with the products released during the composting process.

Compostabilidad de envases de bolsas de PBAT+PLA y envases rígidos de PLA mediante tecnologías de pila y túnel

Los polímeros compostables suponen en torno al 30% de los bioplásticos destinados a envasado, siendo a su vez esta aplicación el principal destino de la producción de este tipo de materiales que, en el año 2013, superó 1,6 millones de toneladas. La presente tesis aborda la biodegradación de los residuos de envases domésticos compostables en medio aerobio para dos tipos de formato y materiales, envase rígido de PLA (Clase I) y dos tipos de bolsas de PBAT+PLA (Clases II y III). Sobre esta materia se han realizado diversos estudios en escala de laboratorio pero para otro tipo de envases y biopolímeros y bajo condiciones controladas del compost con alguna proyección particularizada en plantas. La presente tesis da un paso más e investiga el comportamiento real de los envases plásticos compostables en la práctica del compostaje en tecnologías de pila y túnel, tanto a escala piloto como industrial, dentro del procedimiento y con las condiciones ambientales de instalaciones concretas. Para ello, con el método seguido, se han analizado los requisitos básicos que debe cumplir un envase compostable, según la norma UNE – EN 13432, evaluando el porcentaje de biodegradación de los envases objeto de estudio, en función de la pérdida de peso seco tras el proceso de compostaje, y la calidad del compost obtenido, mediante análisis físico-químico y de fitotoxicidad para comprobar que los materiales de estudio no aportan toxicidad. En cuanto a los niveles de biodegrabilidad, los resultados permiten concluir que los envases de Clase I se compostan adecuadamente en ambas tecnologías y que no requieren de unas condiciones de proceso muy exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100%. En relación a los envases de Clase II, se puede asumir que se trata de un material que se composta adecuadamente en pila y túnel industrial pero que requiere de condiciones exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al afectarle de forma clara la ubicación de las muestras en la masa a compostar, especialmente en el caso de la tecnología de túnel. Mientras el 90% de las muestras alcanza el 100% de biodegradación en pila industrial, tan sólo el 50% lo consigue en la tecnología de túnel a la misma escala. En cuanto a los envases de Clase III, se puede afirmar que es un material que se composta adecuadamente en túnel industrial pero que requiere de condiciones de cierta exigencia para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al poderle afectar la ubicación de las muestras en la masa a compostar. El 75% de las muestras ensayadas en túnel a escala industrial alcanzan el 100% de biodegradación y, aunque no se ha ensayado este tipo de envase en la tecnología de pila al no disponer de muestras, cabe pensar que los resultados de biodegrabilidad que hubiera podido alcanzar habrían sido, como mínimo, los obtenidos para los envases de Clase II, al tratarse de materiales muy similares en composición. Por último, se concluye que la tecnología de pila es más adecuada para conseguir niveles de biodegradación superiores en los envases tipo bolsa de PBAT+PLA. Los resultados obtenidos permiten también sacar en conclusión que, en el diseño de instalaciones de compostaje para el tratamiento de la fracción orgánica recogida selectivamente, sería conveniente realizar una recirculación del rechazo del afino del material compostado para aumentar la probabilidad de someter este tipo de materiales a las condiciones ambientales adecuadas. Si además se realiza un triturado del residuo a la entrada del proceso, también se aumentaría la superficie específica a entrar en contacto con la masa de materia orgánica y por tanto se favorecerían las condiciones de biodegradación. En cuanto a la calidad del compost obtenido en los ensayos, los resultados de los análisis físico – químicos y de fitotoxicidad revelan que los niveles de concentración de microorganismo patógenos y de metales pesados superan, en la práctica totalidad de las muestras, los niveles máximos permitidos en la legislación vigente aplicable a productos fertilizantes elaborados con residuos. Mediante el análisis de la composición de los envases ensayados se constata que la causa de esta contaminación reside en la materia orgánica utilizada para compostar en los ensayos, procedente del residuo de origen doméstico de la denominada “fracción resto”. Esta conclusión confirma la necesidad de realizar una recogida selectiva de la fracción orgánica en origen, existiendo estudios que evidencian la mejora de la calidad del residuo recogido en la denominada “fracción orgánica recogida selectivamente” (FORM). Compostable polymers are approximately 30% of bioplastics used for packaging, being this application, at same time, the main destination for the production of such materials exceeded 1.6 million tonnes in 2013. This thesis deals with the biodegradation of household packaging waste compostable in aerobic medium for two format types and materials, rigid container made of PLA (Class I) and two types of bags made of PBAT + PLA (Classes II and III). There are several studies developed about this issue at laboratory scale but for other kinds of packaging and biopolymers and under composting controlled conditions with some specifically plants projection. This thesis goes one step further and researches the real behaviour of compostable plastic packaging in the composting practice in pile and tunnel technologies, both at pilot and industrial scale, within the procedure and environmental conditions of concrete devices. Therefore, with a followed method, basic requirements fulfilment for compostable packaging have been analysed according to UNE-EN 13432 standard. It has been assessed the biodegradability percentage of the packaging studied, based on loss dry weight after the composting process, and the quality of the compost obtained, based on physical-chemical analysis to check no toxicity provided by the studied materials. Regarding biodegradability levels, results allow to conclude that Class I packaging are composted properly in both technologies and do not require high exigent process conditions for achieving 100% biodegradability levels. Related to Class II packaging, it can be assumed that it is a material that composts properly in pile and tunnel at industrial scale but requires exigent conditions for achieving 100% biodegradability levels for being clearly affected by sample location in the composting mass, especially in tunnel technology case. While 90% of the samples reach 100% of biodegradation in pile at industrial scale, only 50% achieve it in tunnel technology at the same scale. Regarding Class III packaging, it can be said that it is a material properly composted in tunnel at industrial scale but requires certain exigent conditions for reaching 100% biodegradation levels for being possibly affected by sample location in the composting mass. The 75% of the samples tested in tunnel at industrial scale reaches 100% biodegradation. Although this kind of packaging has not been tested on pile technology due to unavailability of samples, it is judged that biodegradability results that could be reached would have been, at least, the same obtained for Class II packaging, as they are very similar materials in composition. Finally, it is concluded that pile technology is more suitable for achieving highest biodegradation levels in bag packaging type of PBAT+PLA. Additionally, the obtained results conclude that, in the designing of composting devices for treatment of organic fraction selectively collected, it would be recommended a recirculation of the refining refuse of composted material in order to increase the probability of such materials to expose to proper environmental conditions. If the waste is grinded before entering the process, the specific surface in contact with organic material would also be increased and therefore biodegradation conditions would be more favourable. Regarding quality of the compost obtained in the tests, physical-chemical and phytotoxicity analysis results reveal that pathogen microorganism and heavy metals concentrations exceed, in most of the samples, the maximum allowed levels by current legislation for fertilizers obtained from wastes. Composition analysis of tested packaging verifies that the reason for this contamination is the organic material used for composting tests, comes from the household waste called “rest fraction”. This conclusion confirms the need of a selective collection of organic fraction in the origin, as existing studies show the quality improvement of the waste collected in the so-called “organic fraction selectively collected” (FORM).

Determining the elastic-plastic properties of metallic materials through instrumented indentation

En los últimos años, y asociado al desarrollo de la tecnología MEMS, la técnica de indentación instrumentada se ha convertido en un método de ensayo no destructivo ampliamente utilizado para hallar las características elástico-plásticas de recubrimientos y capas delgadas, desde la escala macroscópica a la microscópica. Sin embargo, debido al complejo mecanismo de contacto debajo de la indentación, es urgente proponer un método más simple y conveniente para obtener unos resultados comparables con otras mediciones tradicionales. En este estudio, el objetivo es mejorar el procedimiento analítico para extraer las propiedades elástico-plásticas del material mediante la técnica de indentación instrumentada. La primera parte se centra en la metodología llevada a cabo para medir las propiedades elásticas de los materiales elásticos, presentándose una nueva metodología de indentación, basada en la evolución de la rigidez de contacto y en la curva fuerza-desplazamiento del ensayo de indentación. El método propuesto permite discriminar los valores de indentación experimental que pudieran estar afectados por el redondeo de la punta del indentador. Además, esta técnica parece ser robusta y permite obtener valores fiables del modulo elástico. La segunda parte se centra en el proceso analítico para determinar la curva tensión-deformación a partir del ensayo de indentación, empleando un indentador esférico. Para poder asemejar la curva tension-deformación de indentación con la que se obtendría de un ensayo de tracción, Tabor determinó empíricamente un factor de constricción de la tensión () y un factor de constricción de la deformación (). Sin embargo, la elección del valor de y  necesitan una derivación analítica. Se describió analíticamente una nueva visión de la relación entre los factores de constricción de tensión y la deformación basado en la deducción de la ecuación de Tabor. Un modelo de elementos finitos y un diseño experimental se realizan para evaluar estos factores de constricción. A partir de los resultados obtenidos, las curvas tension-deformación extraidas de los ensayos de indentación esférica, afectadas por los correspondientes factores de constricción de tension y deformación, se ajustaron a la curva nominal tensión-deformación obtenida de ensayos de tracción convencionales. En la última parte, se estudian las propiedades del revestimiento de cermet Inconel 625-Cr3C2 que es depositado en el medio de una aleación de acero mediante un láser. Las propiedades mecánicas de la matriz de cermet son estudiadas mediante la técnica de indentación instrumentada, haciendo uso de las metodologías propuestas en el presente trabajo. In recent years, along with the development of MEMS technology, instrumented indentation, as one type of a non-destructive measurement technique, is widely used to characterize the elastic and plastic properties of metallic materials from the macro to the micro scale. However, due to the complex contact mechanisms under the indentation tip, it is necessary to propose a more convenient and simple method of instrumented indention to obtain comparable results from other conventional measurements. In this study, the aim is to improve the analytical procedure for extracting the elastic plastic properties of metallic materials by instrumented indentation. The first part focuses on the methodology for measuring the elastic properties of metallic materials. An alternative instrumented indentation methodology is presented. Based on the evolution of the contact stiffness and indentation load versus the depth of penetration, the possibility of obtaining the actual elastic modulus of an elastic-plastic bulk material through instrumented sharp indentation tests has been explored. The proposed methodology allows correcting the effect of the rounding of the indenter tip on the experimental indentation data. Additionally, this technique does not seem too sensitive to the pile-up phenomenon and allows obtaining convincing values of the elastic modulus. In the second part, an analytical procedure is proposed to determine the representative stress-strain curve from the spherical indentation. Tabor has determined the stress constraint factor (stress CF), and strain constraint factor (strain CF), empirically but the choice of a value for and is debatable and lacks analytical derivation. A new insight into the relationship between stress and strain constraint factors is analytically described based on the formulation of Tabor’s equation. Finite element model and experimental tests have been carried out to evaluate these constraint factors. From the results, representative stress-strain curves using the proposed strain constraint factor fit better with the nominal stress-strain curve than those using Tabor’s constraint factors. In the last part, the mechanical properties of an Inconel 625-Cr3C2 cermet coating which is deposited onto a medium alloy steel by laser cladding has been studied. The elastic and plastic mechanical properties of the cermet matrix are studied using depth-sensing indentation (DSI) on the micro scale.

Un deseo moderno todavía pendiente : la casa patio, una posible técnica de agrupación de vivienda colectiva vertical

La idea de aportar a la vivienda en altura las cualidades de la casa patio, se ha estudiado durante años. Podemos decir que el origen de este análisis se inició en 1922 cuando Le Corbusier empezó a investigar a cerca de los Inmuebles Villa; sin duda sabemos que ha llegado hasta la actualidad. Ayudado por la labor de búsqueda de diferentes arquitectos a lo largo de la historia, podemos afirmar que todos los casos conforman una idea única de proyecto. La idea de agrupar casas patio en altura manteniendo las características propias de este tipo de viviendas, privacidad, espacio libre, apertura cenital, comunicación interior‐exterior… Los Inmuebles‐Villa serán repetidamente aludidos, citados o retomados como un tipo paradigmático entre las propuestas de agrupaciones de casas patio en altura. Si pensamos en el concepto tradicional de patio, denominarlo como un espacio de viviendas apiladas en altura no parece una elección adecuada, no obstante la noción de patio permite una gran cantidad de asociaciones. Su valor radica en el traslado de una idea conocida a un nuevo contexto, produciendo así una reformulación del problema. Elegimos para este proceso, la vivienda colectiva, entendiendo la colectividad como agrupación, pues es esta agrupación de vivienda la encargada de crear ciudad; así no sólo vale la pena dar importancia a una célula con su independencia, sino en la relación que estas establecen con sus semejantes. De ahí la idea de que esa colectividad de casas patio, pueda darse también en vertical, buscando las condiciones antes mencionadas. Un deseo que apareció en el Movimiento Moderno y que desde ese momento ha sido algo anhelado por la arquitectura hasta nuestros días. El patio se presenta en la mayoría de las ocasiones como un espacio con múltiples afecciones, desde el patio que aporta a la vivienda una zona de esparcimiento hasta un espacio destinado a la ventilación, aunque en definitiva, podemos decir que consiste en un espacio capaz de contener un lugar. Quizás por eso aparece de diversas formas en nuestra arquitectura, sin importar su ubicación o forma. Simplemente un espacio que aporta al interior unas características que esas viviendas nunca alcanzarían sin él. Por eso lo que conocemos como casa patio es un tipo de arquitectura que se extiende hasta la antigüedad. Ese concepto de espacio exterior incorporado a la vivienda es una de las piezas fundamentales en nuestra arquitectura. Una idea ampliamente estudiada que deja a un lado los diferentes tipos de “patio” que fueron apareciendo, así como las múltiples funciones que dichos espacios fueron capaces de llevar a cabo, primando en definitiva la forma en la que cambiaron la idea de habitar. A lo largo de este análisis se han ido hallando evidencias de los múltiples mecanismos empleados en los casos estudiados. Como se ha visto, en ellos aparecen características que únicamente pueden aparecer en un espacio exterior cuando se trata de un patio. Los patios estudiados se consideran patios tradicionales, independientemente de la cota a la que se encuentren, aunque no cumplan alguna de las características a priori necesarias para la definición de patio. Para captar la esencia de esos espacios, no es necesario traspasar sus límites, ya que ésta se irradia al interior e invade la atmósfera de los espacios contiguos. Se plantea como objetivo principal rastrear las huellas de una investigación proyectual que Le Corbusier inaugura y deja abierta; se trata de descubrir qué ecos, qué rebotes, qué repercusiones tiene el concepto de patio en altura a lo largo de su historia. En esta búsqueda de identificación de las características de estos espacios, hemos seleccionado tres casos, partiendo de las experiencias tanto en patios tradicionales como en patios en altura de tres maestros como son Le Corbusier, José Luis Sert y Charles Correa. Los casos estudiados podrían haber sido muchos más. Este número supone solo un ejemplo de un universo mayor, que ha sido operativo para el desarrollo de este trabajo. Ellos nos guiarán por su arquitectura para intentar resolver la idea de los patios en altura. Hemos analizado las influencias proyectuales existentes entre algunos de los casos que forman parte de esta reflexión, entre los que existen unos vínculos claros, que pueden ser esas claves que estamos buscando para resolver la agrupación de casa patio en altura. A través de este trabajo se ha puesto de manifiesto que la aplicación del concepto de casas patio en altura depende tanto de su ubicación, del clima y la cultura local, como el tipo de patio del que se parte. De estos conceptos surgen soluciones diferentes entre ellas y por tanto no pueden extrapolarse una sola idea a todos los casos. Algunas ideas están presentes durante toda la investigación: fachadas como resultado de la repetición de células, sucesión de espacios, plantas de casas patio tradicional, dobles alturas…Otros casos destacan por su singularidad, por haber buscado la solución del problema mediante la originalidad. En definitiva buscamos casas patio en altura. Y si esta tesis contribuye, en alguna medida, a obtener las claves para que esta tipología edificatoria funcione, de sus características, sus necesidades, y su resultado, es decir, de su búsqueda de ese deseo moderno que presentábamos al principio, será entonces que esa tipología ilusoria, sea una arquitectura real, y por lo tanto también podrá llevarse a cabo y dejar de ser un deseo para convertirse en realidad. Sera que el deseo moderno se ha cumplido. ABSTRACT The idea of giving housing the height of the patio housing qualities, it has been studied for ages. It can be said that the origin of this analysis was started in 1922, when Le Cobustier began investigating about The Villa Building: obviously it is known nowadays due to different architect’s labor of searching through the history. It’s easy to say that all the cases shape a single project idea , the idea of gathering patio houses with the same height keeping the inner characteristics of traditional patio houses such privacy, free space, zenithal opening, inside –outside communication…etc. If we thought about the traditional concept of patio, to define it, in the case of gathering because of the height, it is not suitable to consider it like a pile of houses with the same height. Nevertheless the concept of patio allows a wide variety of settlements. Its worth is based on the transference of a renowned idea into a new context, producing thus a reformulation of the problem. The patio is frequently disposed like a zone with multiple utilities, from the leisure zone patio to an air circulating space, definitively it can be said that it consists on a space which is able to content a place. Maybe that is why it appears in various forms in our architecture, regardless of its placement or shape. It is simply a space which provides many features which are impossible to reach without it. That is what we know as patio house is a type of architecture which is spread till antiquity. This concept of outdoors space joined housing is one of the main pieces of our architecture. It is an idea wide analyses which lefts aside the different types of patios which were developed, focusing mainly the way they changed the idea of inhabiting. We have chosen for this analysis process, the collective housing, we understood collective like group, thus it is the group of housing responsible to built up a city, not just it is worth to give importance to an independent cell, in addition to the relation which those ones can stablish with their similar ones. Due to the idea of collectivity of patio houses, it can be also developed in vertical, looking for the previously mention condition. A wish which appeared with the modern movement and since then it has been something desired by architecture just nowadays. It is understood as the main target to follow the trail about a project investigation which was begun and left open by Le Cobustier: the task is discovering the resonances, the bounces and repercussions which belong to the patio concept in height through its history. In this quest to distinguish the characteristics of these spaces, we have chosen three cases, starting from the experiences as traditional patios as in the height of patios of the masters such as Le Cobustier, Jose Luis Sert and Charles Correa. The studied cases could be even more. This number is just an example of a huger universe, which has been operational for the developing of this work. We will be managed through their architecture trying to solve the idea of patios according to their height. Over this analysis evidences there are found multiple mechanics used in the studied cases. As we could see later, in these ones there are characteristics which are only found in an outdoors space when it is a patio. The studied patios are considered traditional patios, independently of the level they have, although they do not fit at first some of the necessary characteristics included in a patio definition. To catch the essence of those spaces, it is not necessary to go through its limits, since it is transmitted to the interior and pervades the adjoining spaces. It has been analyzed the project influences exiting among several cases which build up part of this consideration , among them there are some clear links, which may be these keys we are looking for to solve the joint of patio houses in height. With this work it has been highlighted that the application of the patios houses in height concept depends not only on its placement, the weather and the local culture, but also on the type of patio we are using. From these considerations different solutions were given by themselves as consequence they can be extrapolated into a single idea for all the cases. Some ideas are present along the complete investigation: facades resulting from cells repetition, series of spaces, traditional patio house floor, double height… Some other cases stand out due to it singularity, because they have searched for a solution to the problem by means of originality. To sum up, we look for patio houses in height. And if this thesis contributes, in some way, to get the clues to make work this type of building, about its characteristics, its necessities and its result, in other words, its searching of this modern desire that we showed at the beginning, then this imaginary typo will be a real architecture therefore it can also come truth and can abandon the form of wish to became into a reality. So the modern desire has been fulfilled.