Structural Analysis of Thin Tile Vaults and Domes: The Inner Oval Dome of the Basilica de los Desamparados in Valencia

The inner oval dome of the Basílica de la Virgen los Desamparados, built in 1701, is one of the most slender masonry vaults ever built. It is a tile dome with a total thickness of 80 mm and a main span of 18.50 m. It was built without centering with great ingenuity and economy of means, thirty three years after the termination of the building in 1667. The dome is in contact with the external dome only in the inferior part with the projecting ribs of the intrados, the lunettes of the windows, and, in the upper part, through 126 inclined iron bars. This unique construction was revealed in the 1990's in the studies previous to the restoration of the Basílica, and has given rise to different theories about the mode of construction and the structural behaviour and safety of the dome. The present contribution aims to provide a plausible hypothesis about the mode of construction and to explain the safety of the inner dome which has stood, without need of repairs or reinforcement, for 300 hundred years.

The Islamic Crossed-Arch Domes in Cordoba: Geometry and Structural Analysis of the “Capilla de Villaviciosa”

Crossed-arch domes are a singular type of ribbed vaults. Their characteristic feature is that the ribs that form the vault are intertwined, forming polygons or stars, leaving an empty space in the centre. The earliest known vaults of this type are found in the Great Mosque of Córdoba, built ca. 960 a.C. The type spread through Spain, and the north of Africa in the 10th to the 16th Centuries, and was used by Guarini and Vittone in the 17th and 18th Centuries in Italy. However, it was used only in a few buildings. Though the literature about the structural behaviour of ribbed Gothic vaults is extensive, so far no structural analysis of crossed arch domes has been made. The purpose of this work is, first to show the way to attack such an analysis within the frame of Modern Limit Analysis of Masonry Structures (Heyman 1995), and then to apply the approach to study the stability of the dome of the Capilla de Villaviciosa. The work may give some clues to art and architectural historians to understand better the origin and development of Islamic dome architecture.

Domes of adobe and stone on the rural architecture of centre of Castilla y León (Spain)

In the centre of Castilla y León (extensive zone of Spain) still there are some examples of the old rural buildings linked to the economic activities that have been developed in the agrarian field. These are called chozos and casetas, and they have been erected with domed solutions using the autochthonous materi-als: the mud in the region of Tierra de Campos and the stone in the region of Montes Torozos. The influence of traditional construction techniques of both elements has generated a singular typological range rarely seen in the rest of the Península Ibérica. All different types of domes found in this place will be explained from its construction process, adding its structural capacity and energy bioclimatic qualities. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- En el centro de Castilla y León todavía se mantienen algunos ejemplos de antiguas construcciones rurales vinculadas a las actividades económicas que se han desarrollado en el ámbito agrario. Éstas, conocidas como chozos y casetas, han sido ejecutadas con soluciones cupuliformes empleándose los materiales que más a mano se disponen, siendo el barro más característico en la región de Tierra de Campos y la piedra en la comarca de Montes Torozos. La influencia de las técnicas constructivas tradicionales de ambos elementos ha generado un abanico tipológico singular poco visto en el resto de la península. Los diferentes tipos de cúpulas encontrados se explicarán desde su proceso constructivo, añadiendo su capacidad estructural y sus cualidades bioclimáticas.

Bovedas Encamonadas: Origen, Evolucion, Geometria y Construccion entre los Siglos XVII y XVIII en el Virreinato de Perú

Desde la creación del Virreinato del Perú, en el siglo XVI, los arcos, bóvedas y cúpulas se acostumbraban a levantar con piedra y fábrica. Sin embargo estas tierras eran sacudidas periodicamente por terremotos, produciendo el colapso de la mayoría de estas edificaciones. Para el siglo XVII los alarifes ya habían experimentado diversas maneras de levantar bóvedas, sin haberse encontrado una respuesta razonable en términos de tiempo, economía y estabilidad frente a los sismos. En medio de este panorama se produjo la introducción de las bóvedas encamonadas a mediados del siglo XVII, consolidandose en el resto de la centuria hasta el punto de terminar convirtiéndose en un recurso tradicional y de estimada elaboración dentro de la arquitectura virreinal peruana. Las bóvedas encamonadas se realizaban con tablas de madera (camones) que se solapaban entre sí para formar arcos (cerchas), los cuales definían la forma que tendrían las bóvedas, y eran estabilizados lateralmente mediante correas. Sobre los arcos y correas se colocaba un cerramiento que podía ser un entablado, unos listones de madera o simplemente un tendido a base de cañas. En la mayoría de casos se finalizaba con un recubrimiento aislante de barro por el extradós y otro decorativo de yeso por el intradós. Precisamente estas bóvedas constituyen el objeto de la presente tesis, específicamente en su devenir histórico entre los siglos XVII y XVIII en el ámbito territorial del Virreinato del Perú, partiendo del examen de los tratados de arquitectura coetáneos y del estudio de las bóvedas de madera en España, para finalizar con el análisis de las características geométricas y constructivas que lograron definir en ellas los alarifes peruanos. Since the creation of the Viceroyalty of Peru, in the sixteenth century, arches, vaults and domes were accustomed to build with stone and masonry. However, these lands were periodically shaken by earthquakes, causing the collapse of most of these buildings. For the seventeenth century the master masons had already experienced several ways to build vaults, without having found a reasonable response in terms of time, economy and stability against earthquakes. Into this context the master carpenters introduced the wooden vaults since seventeenth century, and this constructive system was consolidated around the rest of the century to the end point of becoming a traditional and estimated resource of the Peruvian colonial architecture. The wooden vaults were made with timber planks (camones) that overlapped each other to form arches (cerchas), which defined the shape of the vaults, and were stabilized laterally by purlins. Above the arches and purlins placed planks, wooden strips or just cane. In most cases ended with a mud plaster insulating the extrados and a decorative gypsum plaster on the intrados. Precisely these vaults are the subject of this thesis, specifically in its historical way between the seventeenth and eighteenth centuries in the territory of the Viceroyalty of Peru. Since an examination of the architectural treatises and the Spanish wooden vaults, and concluding with the analysis of the geometric and constructive system that Peruvian builders were able to define on them.

Estructuras espaciales desmontables y desplegables. Estudio de la obra del arquitecto Emilio Pérez Pinero.

La presente tesis estudia las realizaciones del arquitecto Emilio Pérez Pinero, todas dentro de las estructuras espaciales de barras desmontables y desplegables, elabora la documentación que hace transmisible su investigación y generaliza el estudio del comportamiento en la parcela de las desplegables. La obra de este arquitecto forma un conjunto original, atractivo y sin continuadores, y por otra parte, no abundan las" investigaciones sobre este tipo de estructuras ( mucho menos las realizaciones), en las que hay que resolver tanto su definición como su movilidad y comportamiento estructural. El contenido de la parte correspondiente a las estructuras desmontables se limita a las cúpulas reticuladas de una capa, con el sistema de reticulado y montaje ideado por Pinero, por considerar que se debe documentar su aportación pero no incidir mas en un campo de investigación que cuenta con abundantes estudios. Se aporta la solución matemática y un programa de ordenador para la definición geométrica completa del reticulado empleado. Las estructuras desplegables se caracterizan por el empleo de barras dispuestas en "x" en el espesor de la estructura, con generación de superficies tanto planas como curvas. En ambos casos se analiza la movilidad en fase de mecanismo, tanto a las soluciones de Pinero como a las complementarlas que se exponen. Se estudian las relaciones geométricas que deben de cumplirse para que sea posible el movimiento de las barras, relaciones particularmente complejas en las desplegables según superficies esféricas, y que determinan su definición geométrica. En la fase de estructura, además de analizar lo realizado por Pinero, documentando y definiendo sus componentes, se proponen varias estructuras posibles para cada mecanismo, y se desarrolla en detalle el tipo de los emparrillados de canto constante, donde se incluye un estudio comparativo de nueve variantes distintas. Se muestra el amplio campo de uso posible para estas estructuras. ABSTRACT The • present doctoral dissertation studies the work of de spanish architect Emilio Pérez Pinero, all of it within de field of spatial demountable and deployable structures. This contribution compiles the necessary documentation for research in this field and, besides, generalizes the theoretical background for the analysis of this type of structures. Pérez Pinero's contributions are original and attractive, but, so far, he has not any followers ; on the other hand research in this field is scarce (much less actual realizations). In the part corresponding to demountable structures the research is limited to reticulated domes of only one layer, following Pérez Pinero's sys~ tem, trying to give a comprehensive documentation of it. The mathematical solution is given and so is a computer program for the complete definition of the geometry of the structure. One characteristic of deployable structures is the use of struts placed - formix "X" in the thickness of the structure, making possible the generation of plañe as well as curved surfaces. In both cases, the operation in the phase of mechanism is studied, both fot Pinero's solution and for the other schemes presented. The geometrical relationships that must be maintained in order to guarantee strut's movements, are studied; these relationships are particularly complex in the case of spherical surfaces, and, in this last casey determine completely its geometrical definition. In regard of the structure behaviour, besides analysing Pinero's works, a variety of solutions are proposed for each mechanism. Particularly, the configuration for double layer grids of constant thickness is developed with great detall, and a comparative study of nine different solutions of this special case is included. A wide range of the possible applications of this structural type is shown.

Ethics and materials. Some Spanish Case Studies

In Navea, north of Spain, a medieval arch bridge shows a visible distortion (fig.1a). A stone falls down from the web of a gothic vault in a big parish church in Burgos (fig. 1b), and a voussoir falls down from the rib of another gothic vault in Oviedo (fig. 1c). An oval dome collapses in Zaragoza, though another four identical domes remain safe (fig. 1d). Sometimes the building has to support new, heavier loads. The ruin of the abandoned (since the 19th Century) monastery of Melón should be consolidated, some vaults are rebuilt and the visitors can walk over them. A Franciscan Convent is going to be turned into a Cultural Centre, the loads to be supported being multiplied by a factor of two. A little medieval bridge is asked to support the pass of heavy lorries. These are some of the cases I have studied in the last two decades, all of them referring to questions of structural safety. These are the kind of situations which often occurs in the field of Historic Structures. They require a study and an answer. This is no scholarly work (though in some cases new lines of future research will emerge). A judgement must be made by the expert and this judgement affects the safety and economy, in the last instance, of people. As there are rarely unique answers, the behaviour of the expert, then, can also be judged as "ethical", if he proposes an intervention that is necessary and adequate (or, recommends no intervention, judging the situation safe), or "non-ethical", if recommends an unnecessary or disproportionate intervention. In relation to the monument, also, the proposal can be judged ethically; any intervention damaging seriously the character of the monument may be labelled un-ethical.

Metodología de simulación numérica de la transferencia de calor por ebullición en película en torno a superficies esféricas refrigeradas por líquido saturado en convección libre: aplicación a reactores nucleares de lecho de bolas (PBR)

En la presente Tesis se realizó un análisis numérico, usando el código comercial Ansys-Fluent, de la refrigeración de una bola de combustible de un reactor de lecho de bolas (PBR, por sus siglas en inglés), ante un escenario de emergencia en el cual el núcleo sea desensamblado y las bolas se dejen caer en una piscina de agua, donde el mecanismo de transferencia de calor inicialmente sería la ebullición en película, implicando la convección y la radiación al fluido. Previamente se realizaron pruebas de validación, comparando los resultados numéricos con datos experimentales disponibles en la literatura para tres geometrías diferentes, lo cual permitió seleccionar los esquemas y modelos numéricos con mejor precisión y menor costo computacional. Una vez identificada la metodología numérica, todas las pruebas de validación fueron ampliamente satisfactorias, encontrándose muy buena concordancia en el flujo de calor promedio con los datos experimentales. Durante estas pruebas de validación se lograron caracterizar numéricamente algunos parámetros importantes en la ebullición en película con los cuales existen ciertos niveles de incertidumbre, como son el factor de acoplamiento entre convección y radiación, y el factor de corrección del calor latente de vaporización. El análisis térmico de la refrigeración de la bola del reactor por ebullición en película mostró que la misma se enfría, a pesar del calor de decaimiento, con una temperatura superficial de la bola que desciende de forma oscilatoria, debido al comportamiento inestable de la película de vapor. Sin embargo, la temperatura de esta superficie tiene una buena uniformidad, notándose que las áreas mejor y peor refrigeradas están localizadas en la parte superior de la bola. Se observó la formación de múltiples domos de vapor en diferentes posiciones circunferenciales, lo cual causa que el área más caliente de la superficie se localice donde se forman los domos más grandes. La separación entre los domos de vapor fue consistente con la teoría hidrodinámica, con la adición de que la separación entre domos se reduce a medida que evolucionan y crecen, debido a la curvatura de la superficie. ABSTRACT A numerical cooling analysis of a PBR fuel pebble, after an emergency scenario in which the nucleus disassembly is made and the pebbles are dropped into a water pool, transmitting heat by film boiling, involving convection and radiation to the fluid, is carried out in this Thesis. First, were performed validation tests comparing the numerical results with experimental works available for three different geometries, which allowed the selection of numerical models and schemes with better precision and lower computational cost. Once identified the numerical methodology, all validation tests were widely satisfactory, finding very good agreement with experimental works in average heat flux. During these validation tests were achieved numerically characterize some important parameters in film boiling with which there are certain levels of uncertainty, such as the coupling factor between convection and radiation, and the correction factor of the latent heat of vaporization. The thermal analysis of pebble cooling by film boiling shows that despite its decay heat, cooling occurs, with pebble surface temperature descending from an oscillatory manner, due to the instability of the vapor film. However, the temperature of this surface has a good uniformity, noting that the best and worst refrigerated area is located at the top of the pebble. The formation of multiple vapor domes at different circumferential positions is observed, which cause that the hottest area of the surface was located where biggest vapor domes were formed. The separation between vapor domes was consistent with the hydrodynamic theory, with the addition that the separation is reduced as the vapor dome evolves and grows, due to the surface curvature.

Caracterización estructural de los rellenos situados en el trasdós de bóvedas de edificios históricos

El papel esencial de los rellenos en el comportamiento y la estabilidad de las construcciones de fábrica ha sido sorprendentemente ignorado en la bibliografía técnica, contribuyendo este trabajo a cubrir esta laguna del conocimiento. Se presenta en primer lugar la configuración morfológica de los rellenos del trasdós de bóvedas en la Península Ibérica en tres periodos histórico-técnicos: la construcción romana, la románica y la gótica. La clasificación se ha realizado en base a inspecciones visuales de diferentes edificios. En sendos anexos se presentan análisis comparados de la base de datos que se ha reunido y las fichas de las construcciones consideradas. En segundo lugar se ha caracterizado el papel estructural de los rellenos, identificándose las características intrínsecas que se estiman más significativas de dichos rellenos en relación tanto con su propia configuración como con su función estructural. Muy en particular se proponen unas leyes de empujes coherentes con la naturaleza y con las condiciones de contorno de los rellenos y las bóvedas. En esta tesis se ha desarrollado una sencilla, potente y suficiente herramienta de análisis que considera las principales variables que intervienen en el comportamiento de una estructura de fábrica, incluyendo muy particularmente los rellenos. Para ello se ha planteado una herramienta basada en el análisis límite que incluye la comprobación tensional de los diferentes esfuerzos, normales o tangenciales, así como la interfaz entre bóvedas y rellenos, dotándose a los técnicos de una herramienta que permite entender estas estructuras, de complejo funcionamiento. La herramienta propuesta incluye consideraciones energéticas para encontrar la solución más cercana al funcionamiento real. La herramienta se ha calibrado con ejemplos analizados por otros autores con diferentes procedimientos, poniéndose de manifiesto su suficiente precisión y eficacia, especialmente si se tiene en cuenta que requiere sólo de unos datos mínimos. La calibración se ha extendido al ensayo en modelo reducido de este tipo de estructuras en el Laboratorio de Estructuras de la Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Madrid. Fruto de esa calibración, se ha realizado un amplio estudio paramétrico que permite cuantificar la influencia que tienen en el comportamiento estructural variables como el apuntamiento de las bóvedas (relación luz/flecha), su esbeltez (relación luz/canto en clave), la altura de los rellenos rígidos, la altura de los rellenos granulares, etc. Ese estudio ha permitido identificar los puntos críticos, las ratios características que condicionan el comportamiento y, en fin, los aspectos clave del análisis estructural de estas construcciones desde el punto de vista de la interrelación, hasta ahora desconocida, de estructura y relleno, que también es estructura. Ello permitirá orientar de mejor manera las inspecciones de estas estructuras y sus análisis estructurales. Finalmente, la tesis concluye con el desarrollo de tres ejemplos, correspondientes cada uno de ellos a los periodos históricos referidos, en los que se pone de manifiesto el papel crucial de los rellenos en la estabilidad no sólo de las bóvedas sino del resto de elementos estructurales que componen un edificio (pilares, muros, botareles, etc.). Al final se presentan las conclusiones del trabajo y se enumeran las muchas líneas de trabajo que quedan abiertas tras esta tesis. It is surprising that the essential role of the backfill at the extrados of masonry vaults and domes has been ignored or misunderstood in the technical literature. The main purpose of this work is to contribute to overcome such a lacuna. Firstly, the morphological configuration of backfill that can be found in the Iberian Peninsula in Roman, Romanesque and Gothic buildings is also presented. Two annexes are devoted to show the collected database and the result of its analysis. Then, the structural role of backfill is characterised, as well as the intrinsic and most significant properties related both to its configuration and structural function. Thus, specific thrust values are proposed to analyse such structures, taking into account the nature and boundary conditions of walls and vaults. The simple, powerful and sufficient tool of analysis that has been developed is also presented, including the main variables involved, especially the backfill. The limit analysis method, followed by a stress verification, including the extrados of vaults and backfill interface, and an enhanced algorithm based on energetic considerations, are used to provide technicians a tool to understand this type of structures efficiently, in a balanced situation between the rather scarce amount of information and sufficient accuracy and liability. The tool was calibrated by comparing the experimental and theoretical results provided by different authors regarding several examples, as well as our own experimental campaign carried out at the Civil Engineering School of Madrid. A parametric study is also developed, providing original information about the structural importance of several parameters, as the span-to-depth or span-to-rise ratios, relative height of backfill, etc. As a result of this analysis, critical points and tendencies of structural behaviour were detected, helping technicians to inspect and analyse these constructions, also revealing some particularities related to their construction. Furthermore, a set of three examples corresponding to the three structural typologies analysed (Roman, Romanesque and Gothic) is studied. The crucial importance of backfill is then highlighted, not only for the stability of vaults or domes, but also for the equilibrium of walls, pillars and buttresses. Finally, the conclusions of the study and the future research fields are also presented.