Análisis de la influencia de los diferentes parámetros de diseño en la aparición de fatiga superficial en contactos mecánicos

La fatiga superficial es uno de los principales problemas en las transmisiones mecánicas y es uno de los focos de atención de las investigaciones de los últimos anos en Tribología. La disminución de viscosidad de los lubricantes para la mejora de la eficiencia, el aumento de las potencias a transmitir, el aumento de la vida de los componentes o la mejora de su fiabilidad han supuesto que los fenómenos de fatiga superficial hayan cobrado especial relevancia, especialmente los fenómenos de pitting y micropitting en cajas multiplicadoras/reductoras de grandes potencias de aplicación, por ejemplo, en el sector eólico. Como todo fenómeno de fatiga, el pitting y micropitting son debidos a la aplicación de cargas ciclicas. Su aparición depende de las presiones y tensiones cortantes en el contacto entre dos superficies que al encontrarse en rodadura y deslizamiento varian con el tiempo. La principal consecuencia de la fatiga superficial es la aparición de hoyuelos de diferente magnitud segun la escala del fenómeno (pitting o micropitting) en la superficie del material. La aparición de estos hoyuelos provoca la perdida de material, induce vibraciones y sobrecargas en el elemento que finalmente acaba fallando. Debido a la influencia de la presión y tensión cortante en el contacto, la aparición de fatiga depende fuertemente del lubricante que se encuentre entre las dos superficies y de las condiciones de funcionamiento en las cuales este trabajando. Cuando el contacto trabaja en condiciones de lubricacion mixta-elastohidrodinamica tiende a aparecer micropitting debido a las altas tensiones localizadas en las proximidades de las asperezas, mientras que si el régimen es de lubricación completa el tipo de fatiga superficial suele ser pitting debido a las tensiones mas suavizadas y menos concentradas. En esta Tesis Doctoral se han analizado todos estos factores de influencia que controlan el pitting y el micropitting prestando especial atención al efecto del lubricante. Para ello, se ha dado un enfoque conjunto a ambos fenómenos resolviendo las ecuaciones involucradas en el contacto elastohidrodinamico no-Newtoniano (la ecuación de Reynolds, la deformación elástica de los sólidos y la reologia del lubricante) para conocer la presión y la tensión cortante en el contacto. Conocidas estas, se resuelve el campo de tensiones en el interior del material y, finalmente, se aplican criterios de fatiga multiaxial (Crossland, Dang Van y Liu-Mahadevan) para conocer si el material falla o no falla. Con la metodología desarrollada se ha analizado el efecto sobre las tensiones y la aparición de la fatiga superficial del coeficiente viscosidad-presion, de la compresibilidad, del espesor especifico de película y de la fricción así como de la influencia de las propiedades a fatiga del material y de las condiciones de funcionamiento (radios de contacto, velocidad, deslizamiento, carga y temperatura). Para la validación de los resultados se han utilizado resultados teóricos y experimentales de otros autores junto con normas internacionales de amplia utilización en el mundo industrial, entre otras, para el diseño y calculo de engranajes. A parte del trabajo realizado por simulación y cálculo de los diferentes modelos desarrollados, se ha realizado un importante trabajo experimental que ha servido no solo para validar la herramienta desarrollada sino que además ha permitido incorporar al estudio factores no considerados en los modelos, como los aditivos del lubricante. Se han realizado ensayos de medida del coeficiente de fricción en una maquina de ensayo puntual con la que se ha validado el cálculo del coeficiente de fricción y se ha desarrollado un proceso de mejora del coeficiente de fricción mediante texturizado superficial en contactos puntuales elastohidrodinamicos mediante fotolitografia y ataque quimico. Junto con los ensayos de medida de fricción en contacto puntual se han realizado ensayos de fricción y fatiga superficial en contacto lineal mediante una maquina de discos que ha permitido evaluar la influencia de diferentes aditivos (modificadores de fricción, antidesgaste y extrema-presion) en la aparición de fatiga superficial (pitting y micropitting) y la fricción en el contacto. Abstract Surface fatigue is one of the most important problems of mechanical transmissions and therefore has been one of the main research topics on Tribology during the last years. On the one hand, industrial demand on fuel economy has led to reduce lubricant viscosity in order to improve efficiency. On the other hand, the requirements of power and life of machine elements are continuously increasing, together with the improvements in reliability. As a consequence, surface fatigue phenomena have become critical in machinery, in particular pitting and micropitting in high power gearboxes of every kind of machines, e.g., wind turbines or cranes. In line with every fatigue phenomena, pitting and micropitting are caused by cyclic loads. Their appearance depends on the evolution of pressures and shear stresses with time, throughout the contact between surfaces under rolling and sliding conditions. The main consequence of surface fatigue is the appearance of pits on the surface. The size of the pits is related to the scale of the fatigue: pitting or micropitting. These pits cause material loss, vibrations and overloads until the final failure is reached. Due to the great influence of the pressures and shear stresses in surface fatigue, the appearance of pits depends directly on the lubricant and the operating conditions. When the contact works under mixed regime (or under elastohydrodynamic but close to mixed regime) the main fatigue failure is micropitting because of the high pressures located near the asperities. In contrast, when the contact works under elastohydrodynamic fully flooded conditions the typical fatigue failure is pitting. In this Ph.D. Thesis, the main factors with influence on pitting and micropitting phenomena are analyzed, with special attention to the effect of the lubricant. For this purpose, pitting and micropitting are studied together by solving the equations involved in the non-Newtonian elastohydrodynamic contact. Thus, pressure and shear stress distributions are found by taking into account Reynolds equation, elastic deflection of the solids and lubricant rheology. Subsequently, the stress field inside the material can be calculated and different multiaxial fatigue criteria (Crossland, Dang Van and Liu- Mahadevan) can be applied to predict whether fatigue failure is reached. The influences of the main parameters on pressure and surface fatigue have been studied, taking into account the lubricant compressibility and its viscosity-pressure coefficient, the specific film thickness, the friction coefficient and the fatigue properties of the contacting materials, together with the operating conditions (contact radius, mean velocity, sliding velocity, load and temperature). Several theoretical and experimental studies of different authors have been used to validate all the results obtained, together with international standards used worldwide in gear design industry. Moreover, an experimental stage has been carried out in order to validate the calculation methods and introduce additional influences not included previously, e.g., lubricant additives. The experimentation includes different friction tests in point contacts performed with a tribological equipment in order to validate the results given by the calculations. Furthermore, the reduction and optimization of the friction coefficient is analyzed by means of textured surfaces, obtained combining photolithography and chemical etching techniques. Besides the friction tests with point contact, friction and surface fatigue tests have also been performed with line contact in a tribological test rig. This equipment is also used to study the influence of different types of additives (friction modifiers, anti-wear and extreme-pressure additives) on surface fatigue (pitting and micropitting).

Modelo gráfico para la datación de vías romanas empedradas a partir del estudio de sus estados de frecuentación y del análisis superficial de roderas

La presente tesis doctoral se orienta al estudio y análisis de los caminos empedrados antiguos, desde la época prerromana, tanto desde el punto de vista histórico como desde el técnico. La cuantificación de la romanidad de un camino representa un objetivo importante para la mayoría de los estudiosos de la caminería antigua, así como para los arqueólogos, por los datos que ofrece acerca del uso del territorio, los trazados de caminos en la antigüedad y los tráficos asociados. Cuantificar la romanidad de un camino no es tarea sencilla debido a que intervienen multitud de condicionantes que están vivos y son cambiantes como consecuencia del dinamismo inherente al propio camino. En cuanto al aspecto histórico, se realiza una descripción y análisis de la evolución del camino en la Península Ibérica desde sus orígenes hasta mediados del siglo XX, que permite diferenciar la red itineraria según su momento histórico. Así mismo, se describen y analizan: las ruedas y los carros desde sus orígenes, especialmente en la época romana -incluyendo una toma de medidas de distintos tipos de carro, existentes en instituciones y colecciones particulares-; las técnicas de transporte en la antigüedad y las características de la infraestructura viaria de época romana, detallando aspectos generales de sus técnicas de ingeniería y construcción. Desde el punto de vista técnico, el enfoque metodológico ha sido definir un Índice de Romanidad del Camino (IRC) para la datación de vías romanas empedradas, basado en un análisis multicriterio, a partir de los distintos factores que caracterizan su romanidad. Se ha realizado un exhaustivo estudio de campo, con la correspondiente toma de datos en las vías. Se han realizado una serie de ensayos de laboratorio con un prototipo creado exprofeso para simular el desgaste de la piedra producido por el traqueteo del carro al circular por el camino empedrado y dar una hipótesis de datación del camino. Se ha realizado un tratamiento estadístico con la muestra de datos medidos en campo. Se ha definido además el concepto de elasticidad de rodera usando la noción de derivada elástica. En cuanto a los resultados obtenidos: se ha calculado el Índice de Romanidad del Camino (IRC) en una serie de vías empedradas, para cuantificar su romanidad, obteniéndose un resultado coherente con la hipótesis previa sobre la datación de dichas vías; y se ha formulado un modelo exponencial para el número de frecuentaciones de carga que lo relaciona con la elasticidad de rodera y con su esbeltez y que se ha utilizado para relacionar la elasticidad de la rodera con la geología de la roca. Se ha iniciado una línea de investigación sobre la estimación de tráficos históricos en la caminería antigua, considerando que el volumen de tráfico a lo largo del tiempo en un tramo de vía está relacionado con los valores de elasticidad de rodera de dicho tramo a través de la tipología de la roca. En resumen, la presente tesis doctoral proporciona un método para sistematizar el estudio de los caminos antiguos, así como para datarlos y estimar la evolución de sus tráficos. The present Ph. D. Thesis aims to study and to analyze ancient cobbled ways, since pre-roman times, both from the historical and technical points of view. The quantification of the Roman character of a way represents an important target for most of the researchers of ancient ways, as well as for the archaeologists, due to information that it offers about the use of the territory, the tracings of ways in the antiquity and the associate flows. To quantify the Roman character of a way is not a simple task because it involves multitude of influent factors that are alive and variable as a result of the dynamism inherent to the way. As for the historical aspect, a description and analysis of the evolution of the way in the Iberian Peninsula from its origins until the middle of the twentieth century has been done. This allows us to distinguish between elements of the network according to its historical moment. Likewise, a description and analysis is given about: the wheels and the cars since their origins, especially in the Roman time - including a capture of measurements of different types of car, belonging to institutions and to particular collections-; the transport techniques on the antiquity and the characteristics of the road infrastructure of Roman epoch, detailing general technical engineering and constructive aspects. From the technical point of view, the methodological approach has been to define an Index of the Roman Character of the Way (IRC) for the dating of cobbled Roman routes, based on a multi-criterion analysis, involving different factors typical of Roman ways. An exhaustive field study has been realized, with the corresponding capture of information in the routes. A series of laboratory essays has been realized with an ad hoc prototype created to simulate the wear of the stone produced by cars circulating along the cobbled way, and to give a dating hypothesis of the way. A statistical treatment has been realized with the sample of information measured in field. There has been defined also the concept of elasticity of rolling trace using the notion of elastic derivative. As for the obtained results: there has been calculated the Index of Roman Character of the Way (IRC) in a series of cobbled routes, to quantify its Roman character, obtaining a coherent result with the previous dating hypothesis of the above mentioned routes; and an exponential model has been formulated for the number of frequent attendances of load that relates this number to the elasticity of rolling trace and to its slenderness and that has been used to relate the elasticity of the rolling trace to the geology of the rock. An investigation line has been opened about the estimation of historical flows in ancient ways, considering that the traffic volume over the course of time in a route stretch is related to the values of elasticity of rolling trace of the above mentioned stretch by means of the typology of the rock. In short, the present Ph. D. Thesis provides a method to systematize the study of ancient ways, as well as to date them and to estimate the evolution of their flows.

Aplicación de la técnica de inyección del terreno por fracturación hidráulica a las cimentaciones de puentes en circunstancias de especial dificultad

La implantación de una gran obra de paso facilita en multitud de ocasiones la vida de aquellos que aprovechen las ventajas que ofrece esta estructura. Sin embargo, el camino que lleva a su construcción supone importantes y tortuosos retos cuando el terreno de cimentación presenta condiciones geotécnicas no compatibles con las grandes cargas que el viaducto necesita transmitirle para su buen funcionamiento. El trabajo que desarrolla esta Tesis Doctoral proporciona una herramienta eficaz y económica, por lo reducido de su extensión y medios, que permite allanar el camino que acomete la construcción de una estructura de tal envergadura. Mediante el análisis de la problemática del terreno y de las distintas soluciones de cimentación empleadas en la actualidad, se conduce al lector hacia una técnica de cimentación innovadora que combina la técnica del micropilotaje, para la canalización de las cargas estructurales, junto a la técnica de la inyección de fracturación hidráulica, que mejorará el terreno de implantación de los micropilotes, conformando así un medio capaz de recibir y transmitir grandes cargas en cualquier tipo de terreno. La técnica ya empleada del micropilotaje, por su trabajo esencialmente axil, requiere, aunque sin problema, la constitución de sistemas de fuerzas que equilibren el sistema de cargas provenientes del viaducto. Pero su capacidad resistente viene condicionada por el terreno circundante. Cuando la roca rodea el micropilote, su empleo se realiza sin problema y sin necesidad de mejorar el terreno. Pero sin terreno consistente, el empleo de inyecciones de fracturación hidráulica a través de los propios micropilotes, no sólo mejorará la capacidad resistente de los micropilotes, aumentando la inercia necesaria cuando las cargas son de origen sísmico o estructural ferroviario, sino que resolverá y eliminará los problemas de estabilidad que presentan las laderas que frecuentemente deben recibir las cargas de la obra de paso. Tras recoger el análisis ya realizado en el Trabajo de Investigación, donde se justificaba la alta capacidad resistente de un micropilote con terreno circundante mejorado por la inyección, en la actual Tesis se emplean modelos matemáticos sobre un caso real de viaducto sometido a un gran sismo e implantado en una enorme quebrada (500 m) de Colombia, sujeta a lluvias torrenciales y en la zona de mayor sismicidad del país. Con ello se comprueba la estabilización que se alcanza en el terreno de cimentación con el empleo de esta técnica de transmisión de carga y mejora del terreno. De esta forma se completa un ciclo que justifica las bondades de esta combinación de técnicas de cimentación, pero se abren las puertas a nuevos entornos de aplicación, como edificios antiguos de cualquier tipo que requieran recalces, y no sólo en la implantación de grandes obras de paso. ABSTRACT The establishment of a large bridge represents, in many cases, a better life for those who can take profit of the advantages provided by that structure. Nevertheless, the process of building this structure has to overcome important and difficult circumstances whenever the geotechnical conditions of the bridge site are not adequate to carry the large loads transmitted by the bridge structure. This study develops a method both effective and economical, due to the extension and means necessary for its application, which allows to solve properly the foundation of a structure of that importance. Considering the geotechnical problems inherent to the bridge site, along with the different foundation solutions that are presently used and their limitations, the study leads the reader to an innovative technique which combines the micropile system, for transmission of the structural loads of the bridge, with the technique of hydraulic fracture grouting for improvement of the ground around the micropiles, allowing to both stabilizing and transmitting large loads in any kind of ground. It is well known that the micropiles work axially, and this condition requires an adequate distribution of those units, in order to properly absorb the load system introduced by the viaduct. The resistance of the bridge foundation is, in any case, provided by the ground. When rock is encountered, the micropiles have been successfully used without improving the ground. However, as it is shown in this study, by using the micropiles as sleeve-pipes for hydraulic fracture grouting, not only the micropile resistance can be improved in any ground, but it is possible to develop grouted “solids” in the ground, whose inertia allows to absorb actions of structural and seismic origin. Additionally, as it is shown and analyzed in the Thesis, the ground improvement can give an adequate safety factor to the slopes frequently encountered in bridge sites. In order to properly justify those advantages of combining micropiles with ground improvement through fracture grouting around the micropiles, mathematical models have been developed and applied to a real case of a cable-stayed bridge installed on a very large ravine (500 m) in Colombia, located in the highest seismic zone of the country, and subject to torrential rains. The results of this numerical analysis show the high safety condition provided by the ground improvement to the viaduct site. In conclusion, the Thesis shows the important improvement that can be provided by the combination of micropiles and soil improvement, through fracture grouting, to the problem of founding bridges. However, it can be understood that this technique could be applied successfully to underpinning buildings, specially old buildings of any type, apart from its use in bridge foundations.

Análisis de distintos procedimientos para el cálculo de la carga de hundimiento de pilotes

El rápido desarrollo industrial y el crecimiento de la población en cada país conllevan a la disposición de obras o edificaciones para satisfacer las necesidades; de vivienda, de vías de comunicación o de instalaciones industriales entre otras. Para la construcción de obras se plantean posibles sistemas de cimentación que incluyen; zapatas o losas de hormigón armado cuando superficialmente el terreno es competente y pilotes o sistema placa pilotes de hormigón armado cuando el terreno superficial es poco competente. Las cimentaciones por pilotes o definidas como profundas cuando L/D>6, se han construido en diferentes tipologías de materiales como madera, acero y hormigón armado, de secciones circulares, rectangulares, anulares y tipo H y de forma de inclusión en el terreno como hincados y Excavados a veces estos últimos también llamados preexcavados. Cada aspecto anterior en un diseño aborda consideraciones y restricciones, las cuales han sido definidas por la mecánica de suelos, la experiencia o por ensayos característicos, y que en cierta forma inciden en el procedimiento para determinar la carga de hundimiento o carga en el pilote equivalente a la resistencia ultima del terreno. En la literatura técnica existen muchos procedimientos para determinar la carga de hundimiento de cimentaciones profundas con pilotes. Estos procedimientos se definen en artículos, guías, manuales o normas. Entre todas ellas se seleccionarán algunas y para cada una de ellas se identificará cual es el enfoque, que parámetros son más representativos, cuales son las limitaciones o si se definen dentro de la misma norma otros procedimientos alternativos que se basan en resultados de otros ensayos característicos en geotecnia. Por tanto, el objeto del trabajo tiene como alcance comparar los distintos procedimientos de determinación de carga de hundimiento que vienen recogidos en las normas de mayor difusión en España y el manual del INVÍAS de Colombia. Las diferencias de cada uno de los procedimientos definidos en esta investigación se representarán analizando un ejemplo teórico y realizando graficas que muestren claramente las diferencias entre uno y otro. La estructura del trabajo se divide en cuatro fases, la primera la revisión bibliográfica y estado del arte, la segunda el análisis normativo y la determinación de la carga de hundimiento para un ejemplo teórico, con las diferentes metodologías definidas en Código Técnico de Edificación (CTE 2007), Guía de cimentaciones de obras de carreteras (GCOC 2003), Recomendaciones para Obras Marítimas (ROM 0.5‐5) y Manual de Cimentaciones superficiales y profundas – Colombia 2012, en la tercera etapa se indica los resultados y evaluación de las metodologías establecidas en valores de resistencia por punta, por fuste o resistencia global, y en la cuarta y última etapa se presentan las conclusiones y recomendaciones. De la revisión bibliográfica enmarcada en el capítulo 1 se obtuvieron buenas referencias sobre metodologías de cálculo, en este capítulo se mencionan y se presentan los aspectos básicos, y consideraciones más relevantes. La normatividad Europea enfatiza los criterios de cálculo en base a resultados de ensayos de campo adecuados como el CPTU (por sus siglas en inglés Cone Penetration Test with Pressure water Underground) y el presiómetro, ya que se obtiene valores en condiciones reales y no de modelos de laboratorio, lamentablemente en países en vías de desarrollo el temor a uso de estos métodos es básicamente por falta de experiencia y costo de los mismos. La optimización de los diseños de construcción de obras civiles permite reducir costos de ejecución y materiales, y estará siempre ligado a un buen control de ensayos sobre el suelo como de procedimientos de ejecución. La validez de los métodos solo será definida por el estado del arte, el tipo de suelo, el tipo de estructura, y en cada nuevo proyecto se deberá tener como mínimo esta información de cimentaciones regionales. Las normas definidas colocan en consideración varios métodos y de alguna forma proponen recomendaciones de diseño para reducir los posibles errores, esto puede lograrse al realizar los análisis por lo menos por un método analítico y por uno empírico. Lo anterior conlleva a que la exploración geotécnica sea redundante pero precisa.

Evaluación de la profundidad de la fisuración superficial descendente en pavimentos asfálticos mediante técnicas de ultrasonidos. Validación teórico-práctica y modelos

La fisuración iniciada en la superficie de los pavimentos asfálticos constituye uno de los más frecuentes e importantes modos de deterioro que tienen lugar en los firmes bituminosos, como han demostrado los estudios teóricos y experimentales llevados a cabo en la última década. Sin embargo, este mecanismo de fallo no ha sido considerado por los métodos tradicionales de diseño de estos firmes. El concepto de firmes de larga duración se fundamenta en un adecuado seguimiento del proceso de avance en profundidad de estos deterioros y la intervención en el momento más apropiado para conseguir mantenerlos confinados como fisuras de profundidad parcial en la capa superficial más fácilmente accesible y reparable, de manera que pueda prolongarse la durabilidad y funcionalidad del firme y reducir los costes generalizados de su ciclo de vida. Por lo tanto, para la selección de la estrategia óptima de conservación de los firmes resulta esencial disponer de metodologías que posibiliten la identificación precisa in situ de la fisuración descendente, su seguimiento y control, y que además permitan una determinación fiable y con alto rendimiento de su profundidad y extensión. En esta Tesis Doctoral se presentan los resultados obtenidos mediante la investigación sistemática de laboratorio e in situ llevada a cabo para la obtención de datos sobre fisuración descendente en firmes asfálticos y para el estudio de procedimientos de evaluación de la profundidad de este tipo de fisuras empleando técnicas de ultrasonidos. Dichos resultados han permitido comprobar que la metodología no destructiva propuesta, de rápida ejecución, bajo coste y sencilla implementación (principalmente empleada hasta el momento en estructuras metálicas y de hormigón, debido a las dificultades que introduce la naturaleza viscoelástica de los materiales bituminosos) puede ser aplicada con suficiente fiabilidad y repetibilidad sobre firmes asfálticos. Las medidas resultan asimismo independientes del espesor total del firme. Además, permite resolver algunos de los inconvenientes frecuentes que presentan otros métodos de diagnóstico de las fisuras de pavimentos, tales como la extracción de testigos (sistema destructivo, de alto coste y prolongados tiempos de interrupción del tráfico) o algunas otras técnicas no destructivas como las basadas en medidas de deflexiones o el georradar, las cuales no resultan suficientemente precisas para la investigación de fisuras superficiales. Para ello se han realizado varias campañas de ensayos sobre probetas de laboratorio en las que se han estudiado diferentes condiciones empíricas como, por ejemplo, distintos tipos de mezclas bituminosas en caliente (AC, SMA y PA), espesores de firme y adherencias entre capas, temperaturas, texturas superficiales, materiales de relleno y agua en el interior de las grietas, posición de los sensores y un amplio rango de posibles profundidades de fisura. Los métodos empleados se basan en la realización de varias medidas de velocidad o de tiempo de transmisión del pulso ultrasónico sobre una única cara o superficie accesible del material, de manera que resulte posible obtener un coeficiente de transmisión de la señal (mediciones relativas o autocompensadas). Las mediciones se han realizado a bajas frecuencias de excitación mediante dos equipos de ultrasonidos diferentes dotados, en un caso, de transductores de contacto puntual seco (DPC) y siendo en el otro instrumento de contacto plano a través de un material especialmente seleccionado para el acoplamiento (CPC). Ello ha permitido superar algunos de los tradicionales inconvenientes que presenta el uso de los transductores convencionales y no precisar preparación previa de las superficies. La técnica de autocalibración empleada elimina los errores sistemáticos y la necesidad de una calibración local previa, demostrando el potencial de esta tecnología. Los resultados experimentales han sido comparados con modelos teóricos simplificados que simulan la propagación de las ondas ultrasónicas en estos materiales bituminosos fisurados, los cuales han sido deducidos previamente mediante un planteamiento analítico y han permitido la correcta interpretación de dichos datos empíricos. Posteriormente, estos modelos se han calibrado mediante los resultados de laboratorio, proporcionándose sus expresiones matemáticas generalizadas y gráficas para su uso rutinario en las aplicaciones prácticas. Mediante los ensayos con ultrasonidos efectuados en campañas llevadas a cabo in situ, acompañados de la extracción de testigos del firme, se han podido evaluar los modelos propuestos. El máximo error relativo promedio en la estimación de la profundidad de las fisuras al aplicar dichos modelos no ha superado el 13%, con un nivel de confianza del 95%, en el conjunto de todos los ensayos realizados. La comprobación in situ de los modelos ha permitido establecer los criterios y las necesarias recomendaciones para su utilización sobre firmes en servicio. La experiencia obtenida posibilita la integración de esta metodología entre las técnicas de auscultación para la gestión de su conservación. Abstract Surface-initiated cracking of asphalt pavements constitutes one of the most frequent and important types of distress that occur in flexible bituminous pavements, as clearly has been demonstrated in the technical and experimental studies done over the past decade. However, this failure mechanism has not been taken into consideration for traditional methods of flexible pavement design. The concept of long-lasting pavements is based on adequate monitoring of the depth and extent of these deteriorations and on intervention at the most appropriate moment so as to contain them in the surface layer in the form of easily-accessible and repairable partial-depth topdown cracks, thereby prolonging the durability and serviceability of the pavement and reducing the overall cost of its life cycle. Therefore, to select the optimal maintenance strategy for perpetual pavements, it becomes essential to have access to methodologies that enable precise on-site identification, monitoring and control of top-down propagated cracks and that also permit a reliable, high-performance determination of the extent and depth of cracking. This PhD Thesis presents the results of systematic laboratory and in situ research carried out to obtain information about top-down cracking in asphalt pavements and to study methods of depth evaluation of this type of cracking using ultrasonic techniques. These results have demonstrated that the proposed non-destructive methodology –cost-effective, fast and easy-to-implement– (mainly used to date for concrete and metal structures, due to the difficulties caused by the viscoelastic nature of bituminous materials) can be applied with sufficient reliability and repeatability to asphalt pavements. Measurements are also independent of the asphalt thickness. Furthermore, it resolves some of the common inconveniences presented by other methods used to evaluate pavement cracking, such as core extraction (a destructive and expensive procedure that requires prolonged traffic interruptions) and other non-destructive techniques, such as those based on deflection measurements or ground-penetrating radar, which are not sufficiently precise to measure surface cracks. To obtain these results, extensive tests were performed on laboratory specimens. Different empirical conditions were studied, such as various types of hot bituminous mixtures (AC, SMA and PA), differing thicknesses of asphalt and adhesions between layers, varied temperatures, surface textures, filling materials and water within the crack, different sensor positions, as well as an ample range of possible crack depths. The methods employed in the study are based on a series of measurements of ultrasonic pulse velocities or transmission times over a single accessible side or surface of the material that make it possible to obtain a signal transmission coefficient (relative or auto-calibrated readings). Measurements were taken at low frequencies by two short-pulse ultrasonic devices: one equipped with dry point contact transducers (DPC) and the other with flat contact transducers that require a specially-selected coupling material (CPC). In this way, some of the traditional inconveniences presented by the use of conventional transducers were overcome and a prior preparation of the surfaces was not required. The auto-compensating technique eliminated systematic errors and the need for previous local calibration, demonstrating the potential for this technology. The experimental results have been compared with simplified theoretical models that simulate ultrasonic wave propagation in cracked bituminous materials, which had been previously deduced using an analytical approach and have permitted the correct interpretation of the aforementioned empirical results. These models were subsequently calibrated using the laboratory results, providing generalized mathematical expressions and graphics for routine use in practical applications. Through a series of on-site ultrasound test campaigns, accompanied by asphalt core extraction, it was possible to evaluate the proposed models, with differences between predicted crack depths and those measured in situ lower than 13% (with a confidence level of 95%). Thereby, the criteria and the necessary recommendations for their implementation on in-service asphalt pavements have been established. The experience obtained through this study makes it possible to integrate this methodology into the evaluation techniques for pavement management systems.

Especificación, control de calidad y calidad superficial del hormigón visto autocompactante

Al abordar aspectos de calidad superficial en hormigones vistos nos encontramos con la carencia de clasificación de calidades de superficies que se puedan utilizar como referencia, lo que obliga a establecer patrones propios. Una vez identificados los defectos que van a discriminar entre categorías se plantea el problema de la cuantificación de defectos. Es necesario además establecer si existe relación entre el cumplimiento de las especificaciones de autocompactabilidad y las calidades obtenidas, actividad que se contrastó mediante el control de recepción de hormigón en obra y la tipificación de calidades obtenidas, en una promoción de viviendas. Recientemente la fib (Aesthetics in concrete) y ACHE (hormigón visto) han creado dos grupos de trabajo en esta temática.

Estudio dinámico de puentes de ferrocarril sometidos a nuevos modelos de carga en el marco europeo

Más allá de la alta velocidad, y debido en parte a su éxito, en los últimos años han aparecido trenes de pasajeros capaces de circular a velocidades más elevadas y ser más eficientes (como, por ejemplo, los de tipo automotor). Además, algunos de los antiguos modelos recogidos en las normativas parecen no cubrir determinados casos, lo que ha llevado a la reciente modificación de éstas. A todo esto se le añade la necesidad de crear una normativa común europea que establezca las bases para lograr la interoperabilidad. Con este proyecto se pretende estudiar los efectos dinámicos en puentes de estas nuevas tipologías de trenes, haciendo especial hincapié en los trenes automotores. El trabajo se centra principalmente en puentes isostáticos de luces cortas, por ser éstos especialmente sensibles a este tipo de acciones. El parámetro crítico, en estos casos, son las aceleraciones en centro de vano. Se realizara el cálculo dinámico por diferentes métodos: elementos finitos, análisis modal, así como programas de integración numérica en Matlab de los modos de vibración, analizando y comparando la efectividad de estos. Las diferencias entre la consideración o no de la distribución de las cargas transmitidas al tablero de la estructura de la vía a serán discutidas en el proyecto, así como la interacción dinámica entre estructura y vehículo. Finalmente se aplicarán los conocimientos obtenidos a varios casos reales de puentes incluidos en la red ferroviaria española, como por ejemplo, el viaducto de alta velocidad del Jalón. Los resultados de estos estudios tienen una repercusión en diversas normativas europeas actualmente en revisión y en las cuales está involucrado el Grupo de Mecánica Computacional: EN15528 European Committee for Standarization (2008), EN1991-2 European Committee for Standarization (2003) y las Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad Ferroviaria (TSI).

Estudio de la influencia del sistema de referencia en la evaluación de parámetros de acabado superficial

In the present paper the influence of the reference system with regard to the characterization of the surface finishing is analyzed. The effect of the reference system’s choice on the most representative surface finishing parameters (e.g. roughness average Ra and root mean square values Rq) is studied. The study can also be applied to their equivalent parameters in waviness and primary profiles. Based on ISO and ASME standards, three different types of regression lines (central, mean and orthogonal) are theoretically and experimentally analyzed, identifying the validity and applicability fields of each one depending on profile’s geometry

Análisis Preliminar de la Influencia del Proceso de Torneado en la vida a fatiga de la Aleación de Aluminio UNS A92024-T351

Generalmente los elementos estructurales metálicos de las aeronaves se ubican en zonas de carga crítica, en la mayoría de los casos, estos elementos son conformados mediante procesos de mecanizado. La vida a fatiga de estos componentes es una propiedad dinámica muy importante que puede verse intensamente afectada por las condiciones superficiales producidas durante el proceso de mecanizado. En este trabajo se lleva a cabo un primer estudio de la influencia de los parámetros de corte en la resistencia a la fatiga de piezas torneadas de la aleación de aluminio aeronáutico UNS A92024-T351. Se ha prestado especial atención a la relación con el acabado superficial evaluado a partir de la rugosidad media aritmética

Control adaptativo del acabado superficial en la de procesos de torneado automatizados

El objetivo principal de este trabajo es el diseño y desarrollo de un sistema de control on-line del acabado superficial en procesos de torneado automatizado CNC. El sistema de control se divide en dos fases principales: en la primera fase, se diseña un sistema de monitorización del acabado superficial basado en el análisis de las fuerzas de corte del proceso de mecanizado; en la segunda fase, se desarrolla un sistema de control adaptativo en lazo cerrado basado en la información obtenida durante la monitorización del proceso de corte. Este sistema permite mantener el acabado superficial dentro de un rango de valores óptimos mediante el ajuste on-line del avance a través de la comunicación con el PLC del torno CNC. El sistema de control desarrollado logra mantener la rugosidad superficial dentro de los valores preestablecidos en la fase de diseño detectando y corrigiendo errores durante la ejecución del mecanizado.

Empuje sobre un muro de contención vertical, producido por la acción de una carga sobre un terreno elástico

En el presente trabajo se desarrolla un método de cálculo del empuje que produce sobre un muro una carga situada sobre un terreno adyacente a dicho muro. Por medio de hipótesis físicas sencillas, se llega a resultados que parecen diferir de los obtenidos experimentalmente en márgenes tolerables, dentro de la aproximación normalmente usada en los cálculos. Se incluye una generalización para dos muros iguales y paralelos, fundada en un artificio análogo al empleado en Aerodinamica, para estudiar la interferencia entre las paredes y el modelo en los ensayos en tunel aerodinámico. Finalmente se presenta una familia de curvas adimensionales que dan el empuje para sobrecargas geométricamente semejantes, situadas a diferentes distancias del muro. Familias de este tipo pueden ser de gran utilidad, ya que se ha comprobado que, para los pesos y presiones de inflado usuales, las huellas de las ruedas de diferentes aviones son geometricamente semejantes. Estas familias podrian servir para un ulterior intento de obtención de fórmulas aproximadas de más fácil aplicación.

Estudio de la tolerancia al daño de los materiales y sistemas de pretensado

La mayoría de las estructuras de hormigón pretensadas construidas en los últimos 50 años han demostrado una excelente durabilidad cuando su construcción se realiza atendiendo las recomendaciones de un buen diseño así como una buena ejecución y puesta en obra de la estructura. Este hecho se debe en gran parte al temor que despierta el fenómeno de la corrosión bajo tensión típico de las armaduras de acero de alta resistencia. Menos atención se ha prestado a la susceptibilidad a la corrosión bajo tensión de los anclajes de postensado, posiblemente debido a que se han reportado pocos casos de fallos catastróficos. El concepto de Tolerancia al Daño y la Mecánica de la Fractura en estructuras de Ingeniería Civil ha empezado a incorporarse recientemente en algunas normas de diseño y cálculo de estructuras metálicas, sin embargo, aún está lejos de ser asimilado y empleado habitualmente por los ingenieros en sus cálculos cuando la ocasión lo requiere. Este desconocimiento de los aspectos relacionados con la Tolerancia al Daño genera importantes gastos de mantenimiento y reparación. En este trabajo se ha estudiado la aplicabilidad de los conceptos de la Mecánica de la Fractura a los componentes de los sistemas de postensado empleados en ingeniería civil, empleándolo para analizar la susceptibilidad de las armaduras activas frente a la corrosión bajo tensiones y a la pérdida de capacidad portante de las cabezas de anclajes de postensado debido a la presencia de defectos. Con este objeto se han combinado tanto técnicas experimentales como numéricas. Los defectos superficiales en los alambres de pretensado no se presentan de manera aislada si no que existe una cierta continuidad en la dirección axial así como un elevado número de defectos. Por este motivo se ha optado por un enfoque estadístico, que es más apropiado que el determinístico. El empleo de modelos estadísticos basados en la teoría de valores extremos ha permitido caracterizar el estado superficial en alambres de 5,2 mm de diámetro. Por otro lado la susceptibilidad del alambre frente a la corrosión bajo tensión ha sido evaluada mediante la realización de una campaña de ensayos de acuerdo con la actual normativa que ha permitido caracterizar estadísticamente su comportamiento. A la vista de los resultados ha sido posible evaluar como los parámetros que definen el estado superficial del alambre pueden determinar la durabilidad de la armadura atendiendo a su resistencia frente a la corrosión bajo tensión, evaluada mediante los ensayos que especifica la normativa. En el caso de las cabezas de anclaje de tendones de pretensado, los defectos se presentan de manera aislada y tienen su origen en marcas, arañazos o picaduras de corrosión que pueden producirse durante el proceso de fabricación, transporte, manipulación o puesta en obra. Dada la naturaleza de los defectos, el enfoque determinístico es más apropiado que el estadístico. La evaluación de la importancia de un defecto en un elemento estructural requiere la estimación de la solicitación local que genera el defecto, que permite conocer si el defecto es crítico o si puede llegar a serlo, si es que progresa con el tiempo (por fatiga, corrosión, una combinación de ambas, etc.). En este trabajo los defectos han sido idealizados como grietas, de manera que el análisis quedara del lado de la seguridad. La evaluación de la solicitación local del defecto ha sido calculada mediante el empleo de modelos de elementos finitos de la cabeza de anclaje que simulan las condiciones de trabajo reales de la cabeza de anclaje durante su vida útil. A partir de estos modelos numéricos se ha analizado la influencia en la carga de rotura del anclaje de diversos factores como la geometría del anclaje, las condiciones del apoyo, el material del anclaje, el tamaño del defecto su forma y su posición. Los resultados del análisis numérico han sido contrastados satisfactoriamente mediante la realización de una campaña experimental de modelos a escala de cabezas de anclaje de Polimetil-metacrilato en los que artificialmente se han introducido defectos de diversos tamaños y en distintas posiciones. ABSTRACT Most of the prestressed concrete structures built in the last 50 years have demonstrated an excellent durability when they are constructed in accordance with the rules of good design, detailing and execution. This is particularly true with respect to the feared stress corrosion cracking, which is typical of high strength prestressing steel wires. Less attention, however, has been paid to the stress corrosion cracking susceptibility of anchorages for steel tendons for prestressing concrete, probably due to the low number of reported failure cases. Damage tolerance and fracture mechanics concepts in civil engineering structures have recently started to be incorporated in some design and calculation rules for metallic structures, however it is still far from being assimilated and used by civil engineers in their calculations on a regular basis. This limited knowledge of the damage tolerance basis could lead to significant repair and maintenance costs. This work deals with the applicability of fracture mechanics and damage tolerance concepts to the components of prestressed systems, which are used in civil engineering. Such concepts have been applied to assess the susceptibility of the prestressing steel wires to stress corrosion cracking and the reduction of load bearing capability of anchorage devices due to the presence of defects. For this purpose a combination of experimental work and numerical techniques have been performed. Surface defects in prestressing steel wires are not shown alone, though a certain degree of continuity in the axial direction exist. A significant number of such defects is also observed. Hence a statistical approach was used, which is assumed to be more appropriate than the deterministic approach. The use of statistical methods based in extreme value theories has allowed the characterising of the surface condition of 5.2 mm-diameter wires. On the other hand the stress corrosion cracking susceptibility of the wire has been assessed by means of an experimental testing program in line with the current regulations, which has allowed statistical characterisasion of their performances against stress corrosion cracking. In the light of the test results, it has been possible to evaluate how the surface condition parameters could determine the durability of the active metal armour regarding to its resistance against stress corrosion cracking assessed by means of the current testing regulations. In the case of anchorage devices for steel tendons for prestressing concrete, the damage is presented as point defects originating from dents, scratches or corrosion pits that could be produced during the manufacturing proccess, transport, handling, assembly or use. Due to the nature of these defects, in this case the deterministic approach is more appropriate than the statistical approach. The assessment of the relevancy of defect in a structural component requires the computation of the stress intensity factors, which in turn allow the evaluation of whether the size defect is critical or could become critical with the progress of time (due to fatigue, corrosion or a combination of both effects). In this work the damage is idealised as tiny cracks, a conservative hypothesis. The stress intensity factors have been calculated by means of finite element models of the anchorage representing the real working conditions during its service life. These numeric models were used to assess the impact of some factors on the rupture load of the anchorage, such the anchorage geometry, material, support conditions, defect size, shape and its location. The results from the numerical analysis have been succesfully correlated against the results of the experimental testing program of scaled models of the anchorages in poly-methil methacrylate in which artificial damage in several sizes and locations were introduced.

Instrumentación GPS de pruebas de carga en el Nuevo Puente de Ventas sobre la M-30 en Madrid

Se muestra en este artículo el trabajo realizado durante las pruebas de carga de puesta en servicio del Nuevo Puente de Ventas sobre la M-30 de Madrid, con el fin de determinar los desplazamientos producidos mediante la aplicación de técnicas GPS, así como la discusión de precisiones obtenidas y posibilidades que encierra este tipo de sistemas de instrumentación de deformaciones en obra civil.

Desarrollo de un modelo para la caracterización termoeconómica de ciclos combinados de turbinas de gas y de vapor en condiciones de carga variable

En la actualidad, el interés por las plantas de potencia de ciclo combinado de gas y vapor ha experimentado un notable aumento debido a su alto rendimiento, bajo coste de generación y rápida construcción. El objetivo fundamental de la tesis es profundizar en el conocimiento de esta tecnología, insuficientemente conocida hasta el momento debido al gran número de grados de libertad que existen en el diseño de este tipo de instalaciones. El estudio se realizó en varias fases. La primera consistió en analizar y estudiar las distintas tecnologías que se pueden emplear en este tipo de centrales, algunas muy recientes o en fase de investigación, como las turbinas de gas de geometría variable, las turbinas de gas refrigeradas con agua o vapor del ciclo de vapor o las calderas de paso único que trabajan con agua en condiciones supercríticas. Posteriormente se elaboraron los modelos matemáticos que permiten la simulación termodinámica de cada uno de los componentes que integran las plantas, tanto en el punto de diseño como a cargas parciales. Al mismo tiempo, se desarrolló una metodología novedosa que permite resolver el sistema de ecuaciones que resulta de la simulación de cualquier configuración posible de ciclo combinado. De esa forma se puede conocer el comportamiento de cualquier planta en cualquier punto de funcionamiento. Por último se desarrolló un modelo de atribución de costes para este tipo de centrales. Con dicho modelo, los estudios se pueden realizar no sólo desde un punto de vista termodinámico sino también termoeconómico, con lo que se pueden encontrar soluciones de compromiso entre rendimiento y coste, asignar costes de producción, determinar curvas de oferta, beneficios económicos de la planta y delimitar el rango de potencias donde la planta es rentable. El programa informático, desarrollado en paralelo con los modelos de simulación, se ha empleado para obtener resultados de forma intensiva. El estudio de los resultados permite profundizar ampliamente en el conocimiento de la tecnología y, así, desarrollar una metodología de diseño de este tipo de plantas bajo un criterio termoeconómico. ABSTRACT The growing energy demand and the need of shrinking costs have led to the design of high efficiency and quick installation power plants. The success of combined cycle gas turbine power plants lies on their high efficiency, low cost and short construction lead time. The main objective of the work is to study in detail this technology, which is not thoroughly known owing to the great number of degrees of freedom that exist in the design of this kind of power plants. The study is divided into three parts. Firstly, the different technologies and components that could be used in any configuration of a combined cycle gas turbine power plant are studied. Some of them could be of recent technology, such as the variable inlet guide vane compressors, the H-technology for gas turbine cooling or the once-through heat recovery steam generators, used with water at supercritical conditions. Secondly, a mathematical model has been developed to simulate at full and part load the components of the power plant. At the same time, a new methodology is proposed in order to solve the equation system resulting for any possible power plant configuration. Therefore, any combined cycle gas turbine could be simulated at any part load condition. Finally a themoeconomic model is proposed. This model allows studying the power plant not only from a thermodynamic point of view but also from a thermoeconomic one. Likewise, it allows determining the generating costs or the cash flow, thus achieving a trade off between efficiency and cost. Likewise, the model calculates the part load range where the power plant is profitable. Once the thermodynamic and thermoeconomic models are developed, they are intensively used in order to gain knowledge in the combined cycle gas turbine technology and, in this way, to propose a methodology aimed at the design of this kind of power plants from a thermoeconomic point of view.

Estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa. Parte I: Aspectos teóricos

En el ámbito de las estructuras de protección, tales como polvorines o refugios de protección civil, el hormigón armado es el material más empleado, fundamentalmente por su masividad, sus buenas características de absorción de energía y, cuando está adecuadamente reforzado, por su comportamiento dúctil. En ambos tipos de estructuras, la principal amenaza proviene de las explosiones causadas por armas de guerra, en particular, por armas convencionales. Por otro lado, en España viene actuando la organización terrorista ETA desde finales de los años 60, a lo que últimamente hay que añadir el denominado terrorismo internacional. En ambos casos, sus apariciones se manifiestan, generalmente, mediante la detonación de explosivos, aspecto que ha hecho que tanto entidades públicas como privadas hayan estado seriamente interesadas por el comportamiento de las estructuras cerramientos, etc. A título de ejemplo, se puede recordar el atentado perpetrado el día 31 de diciembre de 2008 en la sede de EITB de Bilbao, o el perpetrado el día 9 de febrero de 2009 en la sede de la empresa constructora Ferrovial-Agroman situada en el Campo de las Naciones de Madrid.