Modelos de elementos finitos con aplicación tridimensional de la analogía fluido-fibra, para predecir el comportamiento mecánico de piezas estructurales de madera bajo la presencia de los principales tipos de nudos

Los nudos son los defectos que más disminuyen la resistencia de piezas de madera en la escala estructural, al ocasionar no solo una discontinuidad material, sino también la desviación de las fibras que se encuentran a su alrededor. En la década de los 80 se introdujo la teoría de la analogía fluido-fibra, como un método que aproximaba adecuadamente todas estas desviaciones. Sin embargo en su aplicación tridimensional, nunca se consideraron las diferencias geométricas en el sentido perpendicular al eje longitudinal de las piezas estructurales, lo cual imposibilitaba la simulación numérica de algunos de los principales tipos de nudos, y disminuía la precisión obtenida en aquellos nudos en los que la modelización sí era viable. En este trabajo se propone un modelo programado en lenguaje paramétrico de un software de elementos finitos que, bajo una formulación en tres dimensiones más general, permitirá estudiar de forma automatizada el comportamiento estructural de la madera bajo la influencia de los principales tipos de nudos, a partir de la geometría visible de los mismos y la posición de la médula en la pieza, y el cual ha sido contrastado experimentalmente, simulando de forma muy precisa el comportamiento mecánico de vigas sometidas a ensayos de flexión a cuatro puntos. Knots are the defects that most reduce the strength of lumber at the structural level, by causing not only a material discontinuity but also the deviation of the fibers that surround them. In the 80's it was introduced the theory of the flow-grain analogy as a method to approximating adequately these deviations. However, in three-dimensional applications, geometrical differences in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the structural specimens were never considered before, which prevented the numerical simulation of some of the main types of knots, and decreased the achieved precision in those kind of knots where modeling itself was possible. This paper purposes a parametric model programmed in a finite element software, in the way that with a more general three-dimensional formulation, an automated study of the structural behavior of timber under the influence of the main types of knots is allowed by only knowing the visible geometry of such defects, and the position of the pith. Furthermore that has been confirmed experimentally obtaining very accurately simulations of the mechanical behavior of beams under four points bending test.

Formulación tridimensional del método de los elementos de contorno con interpolación parabólica

El método de los elementos de contorno ha suscitado un interés creciente en los últimos diez años, presentándose como una herramienta útil para la resolución de problemas de la ingeniería estructural , modelados matemáticamente por sistemas de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. A través de una formulación integral en el contorno del dominio, donde se define el problema, se consigue la resolución de éste, mediante la sola discretización de aquél, en contraposición a los métodos de dominio, que necesitan la completa discretización del mismo (Elementos Finitos ). Estos años han servido, por un lado para cimentar el método anterior - en cuanto a sus bases matemáticas se refiere, y por otro para definir los campos de la Física donde su utilización podría ser más efectiva. Puede decirse que han sido lo que la década de los 60 para elementos finitos : la preparación inicial para el desarrollo espectacular hoy alcanzado. De hecho, el método de los elementos finítos es capaz de abordar eficazmente los grandes retos que plantea el cálculo estructural en la actualidad, mientras que los elementos de contorno no han alcanzado aún dicho estadio. Esta Tesis pretende establecer el camino definitivo para la resolución de este tipo de problemas en el caso elástico tridimensional. Para ello, se ha desarrollado la formulación pertinente tanto en su fase, puramente matemática, como numérica para medios tridimensionales heterogéneos, así como un programa de grandes posibilidades que permiten atacar cualquier caso prácticamente sin limitaciones de tamaño, geometría ó condiciones de contorno en el marco de la Elasticidad Tridimensional. El trabajo se compone de dos partes claramente diferenciadas, el estudio y planteamiento del método, así como la descripción de las soluciones adoptadas para la resolución de los múltiples problemas numéricos que plantea no solo el método en sí, sino la implementación de un programa de tales características , y de un anexo que comprende la descripción detallada de cada uno de los apartados que componen el programa. Por último y paralelamente se ha analizado también el caso axisimétrico, problema tridimensional con características muy especificas, desarrollandose su formulación e implementando asimismo un programa que demuestra la exactitud de dicha formulación.

Cálculo de algunos parámetros cinemáticos de un lanzamiento de martillo mediante análisis cinematográfico tridimensional

Desde hace mucho tiempo, el hombre se ha preocupado por los fenómenos que rigen el movimiento humano. Así Aristóteles (384-322 a. J.C.) poseía conocimientos notables sobre el centro de gravedad, las leyes del movimiento y de las palancas, siendo el primero en describir el complejo proceso de la marcha. A este sabio le siguieron muchos otros: Arquímedes (287-212 a. J.C.)- Ga leno (131-201 a.J.C.) Leonardo Da Vinci (1452-1519), que describió la mecánica del cuerpo en posición erecta, en la marcha y en el salto. Galileo Galilei (1564-1643) proporcionó empuje al estudio de los fenómenos mecánicos en términos matemáticos, creando las bases para la biomecánica. Alfonso Borelli (1608-1679), considerado por algunos autores como el padre de la moderna biomecánica. Aseguraba que los músculos funcionan de acuerdo con principios matemáticos. Nicolas Andry (1658-1742), creador de la ciencia ortopédica. Isaac Newton, que estableció las bases de la dinámica moderna con la enunciación de sus leyes mecánicas todavía hoy vigentes. E.J. Marey (1830-1904), afirmaba que el movimiento es la más importante de las funciones humanas, y describió métodos fotográficos para la investigación biológica. c.w. Braune (1831-1892), y Otto Fischer (1861-1917), describieron un método experimental para determinar el centro de gravedad. Harold Edgerton, inventor del estroboscopio electrónico de aplicación en el análisis fotográfico del movimiento. Gideon Ariel, una de las máximas autoridades en la biomecánica del deporte actual. ••••••• oooOooo ••••••• En lo que respecta al ámbito deportivo, en los últimos años estamos asistiendo a una gran mejora del rendimiento. Esto es debido en gran parte a un mayor apoyo científico en el proceso de entrenamiento, tanto en lo que se refiere a los métodos para desarrollar la condición física, como en lo concerniente a la perfección de la técnica deportiva, es decir, el aprovechamiento más eficaz de las leyes mecánicas que intervienen en el movimiento deportivo. Según P. Rasch y R. Burke, la biomecánica se ocupa de la investigación del movimiento humano por medio de los conceptos de la física clásica y las disciplinas afines en el arte práctico de la ingeniería. Junto con la anatomía, biofísica, bioquímica, fisiología, psicología y cibernética, y estrechamente relacionada con ellas, la biomecánica, conforma las bases de la metodología deportiva. (Hochmuth) Entre los objetivos específicos de la biomecánica está la investigación dirigida a encontrar una técnica deportiva más eficaz. Actualmente, el perfeccionamiento de la técnica se realiza cada vez más apoyándose en los trabajos de análisis biomecánico. Efectivamente, esto tiene su razón de ser, pues hay detalles en el curso del ~~ movimiento que escapan a la simple observación visual por parte del entrenador. Entre dos lanzamientos de distinta longitud, en muchas ocasiones no se pueden percibir ninguna o como mucho sólo pequeñas diferencias. De ahí la necesidad de las investigaciones basadas en el análisis biomecánico, de cuyos resultados obtendrá el entrenador la información que precisa para realizar las modificaciones oportunas en cuanto a la técnica deportiva empleada por su atleta se refiere. Para el análisis biomecánico se considera el cuerpo humano como un conjunto de segmentos que forman un sistema de eslabones sometido a las leyes físicas. Estos segmentos son: la cabeza, el tronco, los brazos, los antebrazos, las manos, los muslos, las piernas y los pies. A través de estos segmentos y articulaciones se transmiten las aceleraciones y desaceleraciones para alcanzar la velocidad deseada en las porciones terminales y en el sistema propioceptivo que tiene su centro en el cerebro. De todo esto podemos deducir la práctica imposibilidad de descubrir un error en el curso del movimiento por la sola observación visual del entrenador por experto que este sea (Zanon). El aspecto biológico de la biomecánica no se conoce tanto como el aspecto mecánico, ya que este campo es mucho más complejo y se necesitan aparatos de medición muy precisos. Entre los objetivos que me he planteado al efectuar este trabajo están los siguientes: - Análisis biomecánico de uno de los mejores lanzadores de martillo de España. - Qué problemas surgen en el análisis biomecánico tridimensional. Cómo llevar a cabo este tipo de investigación con un material elemental, ya que no disponemos de otro. Ofrecer al técnico deportivo los procedimientos matemáticos del cálculo necesarios. En definitiva ofrecer una pequeña ayuda al entrenador, en su búsqueda de soluciones para el perfeccionamiento de la técnica deportiva.

Obtención del modelo tridimensional de dos fragmentos de globos de lava de la erupción volcánica submarina de La Isla de El Hierro en 2011, mediante sistemas escáner laser 3D.

El objetivo del proyecto consiste en la realización de un modelo tridimensional,mediante la utilización de un equipo laser escáner 3D, de los fragmentos de unos globos de lava emergidos de las erupciones que ocurrieron en la isla canaria de ElHierro, en Octubre de 2011. Se persigue con dicho modelo, conseguir una muestra virtual de unos restos geológicos que, por su naturaleza, son extremadamente frágiles y así permitir que puedan ser estudiados con sus características de la forma más completa posible sin necesidad de ser manipulados incluso cuando las muestras físicas se hayan deteriorado.

Herramienta de modelado disfuncional tridimensional basado en estudios de neuroimagen

El modelado disfuncional basado en estudios de neuroimagen mejora la comprensión de los cambios estructurales provocados ante la presencia de lesiones cerebrales. Actualmente, existen numerosas herramientas para el análisis y procesado de estudios de neuroimagen. Algunas de ellas, como el 3D Slicer, BrainVoyager y el FreeSurfer permiten la creación y navegación sobre modelos tridimensionales cerebrales sin alteraciones estructurales. Sin embargo, no se han detectado herramientas que permitan modelar tridimensionalmente lesiones a partir de estudios de neuroimagen, concretamente de estudios de resonancia magnética. El objetivo de este trabajo es el diseño de una metodología que permite la creación de este tipo de modelos y su visualización y navegación.

Modelización tridimensional de la pieza MNM-23 del Museo Naval de Madrid por métodos fotogramétricos.

En el siguiente proyecto se pretende obtener el modelo tridimensional de una pieza del Museo Naval de Madrid, el modelo MNM-23, correspondiente a una fragata de 34 cañones, de dimensiones aproximadas 110*30*39 cm, a partir de fotogrametría de objeto cercano y topografía. La pieza se encontró en un lamentable estado de conservación y en 1995 el restauradormodelista del Museo Naval de Madrid, Miguel Godoy Sánchez, hizo un gran trabajo de restauración de la misma para poder contemplar con auténtico deleite cada uno de los cientos de detalles, que por dentro tenía una fragata del siglo XVIII, una obra perfecta de ingenio,cálculo, estructuras, medidas y estudio, a la vez que arte; todo ello combinado en su justa medida es un claro ejemplo y una gran elección de arquitectura naval de la época. El carácter no invasivo de la fotogrametría y la alta precisión que ofrece hace que este sea un método muy apropiado para este tipo de trabajos. Apoyándonos en estas técnicas, se pretende obtener una precisión entorno al milímetro en el modelo final. Así mismo se investigará y describirá una metodología de trabajo eficiente, rápida y de bajo coste que pretende sustituir otras metodologías utilizadas en este tipo de proyectos.

Sistema de visión tridimensional recursivo utilizando múltiples vistas de una cámara para control servovisual de robots móviless

Este trabajo presenta un sistema de visión tridimensional utilizando múltiples vistas de una única cámara, para su utilización en el control servovisual de robots móviles. Mediante el sistema de visión propuesto se determinan las dimensiones físicas de un objeto en el espacio de trabajo del robot. Esto permite extender el uso de un controlador, previamente propuesto por los autores, para logar que un robot móvil se posicione respecto de un objeto de dimensiones desconocidas.

La lectura tridimensional o el nuevo "saber leer"

En un libro publicado a finales del pasado año, Screening History, Gore Vidal planteaba, entre muchos otros temas, el hecho de que él consideraba básico introducir el cine, o su prima hermana la televisión, entre los métodos que —ineludiblemente— habrían de adoptarse en los próximos años para la enseñanza, a todos los niveles, de cualquier rama del conocimiento humano

Obtención del modelo tridimensional de una pieza de terracota mediante tecnología láser escáner 3D.

El objetivo del presente Proyecto Fin de Carrera consiste en obtener el modelo tridimensional de una pieza de terracota, mediante la tecnología Láser Escáner 3D. Se plantea como objetivo de este proyecto el análisis del comportamiento del escáner y de la modelización 3D en relación a los tipos de materiales. Se realizarán ensayos con piezas construidas con materiales metálicos de mayor o menor complejidad y se concluirá con el estudio de la pieza de terracota seleccionada para este trabajo. El modelo se obtendrá con una precisión interna 2 mm.

Modelización tridimensional de una figura por métodos fotogramétricos y escaneado de precisión. Verificación y comparación de resultados.

El objetivo principal de este proyecto es la obtención del modelo tridimensional de la escultura del patrón San Isidoro de la E.T.S.I. Topografía, Geodesia y Cartografía fabricada en yeso con unas dimensiones de 225 mm de largo, 182 mm de ancho y 318 mm de alto. Se realizará mediante dos métodos diferentes: por medios fotogramétricos utilizando correlación,y por métodos de topografía industrial. En la toma de imágenes para la restitución fotogramétrica se utilizó una cámara no métrica, cuya calibración tuvo que ser realizada comparando dos sistemas de coordenadas, el sistema imagen determinado por técnicas fotogramétricas, y el sistema objeto o terreno determinado por técnicas de topografía clásica. De esta forma se obtienen los datos internos de la cámara. La tolerancia establecida a priori para fotogrametría terrestre es de 1 mm, verificando y contrastando los resultados obtenidos con equipos de trazabilidad superior con los que se procede a la extracción del modelo digital por métodos de topografía industrial, mediante escaneado de precisión. El modelo tridimensional obtenido podría ser útil para múltiples tareas, como disponer de documentación geométrica digital de la figura, su estudio para una posible restauración,etc.

Modelización tridimensional de ensayos de adherencia tipo viga del refuerzo NSM-FRP en hormigón

El uso de refuerzos NSM‐FRP en estructuras de hormigón armado se ha incrementado considerablemente en los últimos años como método de refuerzo estructural. Los ensayos de arrancamiento en viga de los refuerzos NSM‐FRP permiten el estudio del comportamiento de la unión pegada. El principal objetivo del presente trabajo aborda la simulación numérica de este tipo de ensayos, con el propósito de caracterizar correctamente la adherencia entre las barras de NSM‐FRP y el hormigón. En una fase inicial se simuló un modelo bidimensional para conseguir evaluar y verificar el comportamiento de los elementos cohesivos y ver su comportamiento primero ante diferentes modelos de material y segundo ante un modo mixto de fallo, debido a la aplicación simultanea de carga axial y carga cortante. En una segunda fase se creó un modelo tridimensional para estudiar el arrancamiento de una barra de material compuesto insertada en hormigón, creando un modelo de material de hormigón y viendo el comportamiento cualitativo del sistema ante variaciones en los parámetros de los diferentes materiales. En la tercera fase, la más importante del presente trabajo, se abordó la simulación numérica del ensayo de arrancamiento en viga. Se simularon todos los componentes del ensayo y se evaluaron diferentes alternativas para representar la interfase NSM‐FRP ‐ hormigón, usando elementos cohesivos y diferentes distribuciones de los mismos en la interfase. Para conseguir representar lo más fielmente posible las condiciones del ensayo, se diseñó también un controlador PID que permite realizar las simulaciones numéricas mediante un control en desplazamientos, lo cual permite capturar más correctamente el comportamiento de reblandecimiento de la unión pegada. El controlador PID aplica técnicas de ingeniería de control para conseguir calcular a priori la amplitud necesaria del desplazamiento impuesto que provoque una evolución establecida en una variable interna del sistema. La variable usada para correlacionar los ensayos es la diferencia en desplazamientos entre dos puntos y se escoge una evolución lineal de la misma, pero en la tesis también se exponen los resultados de escoger otras posibles variables internas con diferentes evoluciones. Se compararon las simulaciones numéricas con resultados de mediciones experimentales previamente publicadas. Los resultados carga‐deslizamiento obtenidos encajan bien con los datos experimentales. El modelo propuesto es también capaz de predecir el modo de fallo en la interfase NSM‐FRP ‐ hormigón. Finalmente, también se han llevado a cabo estudios paramétricos, para evaluar la influencia de cada parámetro en los resultados. También se realizó un estudio cualitativo de cómo se comporta la unión pegada en cada momento de la simulación, mediante el uso macros y gráficas tridimensionales, para conseguir una mejor visualización y facilitar el análisis de los resultados. ABSTRACT The use of near‐surface mounted FRP reinforcement in reinforced concrete structures has seen a considerable increase in recent years as a strengthening method. Beam pull‐out tests for near‐surface reinforcement allow obtaining the local bond‐slip behavior of a bonded joint. The main objective of the current work deals with the three‐dimensional modeling of this kind of test with the purpose of characterizing suitably the mechanics of bond between FRP rods and concrete. In an initial stage, a two bidimensional in order to evaluate and to verify the behavior of the cohesive elements. Its behavior was evaluated first testing different material models and second testing the behavior when mixed mode failure appears, due to simultaneous axial and shear load. In a second stage a tridimensional model was created in order to study the pull‐out of an inserted beam of composite material in concrete. A concrete material model was created and the influence of each material parameter was studied qualitatively. The third part, the most relevant of the present work, the numerical simulation of the Beam Pull‐Out test was faced. All the parts of the Beam Pull‐Out test were included inthe simulation and different alternatives to represent the FRP bar – concrete interface have been evaluated, using cohesive elements and different distributions of them. In order to reproduce the test conditions more reliably, a PID controller has also been designed to conduct suitably the numerical tests in order to properly capture the softening branch of the load‐slip behaviour. The PID controller applies control techniques to calculate a priori the necessary amplitude of the load in order to achieve a given evolution through the simulation of an internal variable previously chosen. The variable used in order to correlate the simulation with the test results is the difference in displacements between two points and a linear evolution was chosen, but in the thesis the results of choosing other possible internal variables with different evolutions are also shown. The numerical FE simulations were compared with experimental measurements previously published. Load‐slip predictions compare well with the corresponding experimental data. The proposed model is also able to predict the failure mode at the FRP‐concrete interface. Some parametric studies have also been carried out, in order to evaluate the influence of each material parameter in the results. A qualitative study of the behaviour of the joint was also performed, using the results of the numeric simulations and through the use of macros and 3D graphs, the tensional state of each point of the joint can be visualized in each moment of the simulation.

Modelización tridimensional del Galeón Flamenco del Museo Naval de Madrid por métodos fotogramétricos (jarcia y ornamentación.

El propósito principal del proyecto es la realización del modelo tridimensional del Galeón Flamenco del Museo Naval, con un tamaño de 18 cm de ancho, 110 cm de alto y 124 cm de largo. Debido a la antigüedad de la pieza y su fragilidad, la combinación de la fotogrametría y la topografía industrial son las técnicas ideales para su representación tanto por conservación como por su alta precisión. Con la utilización de las técnicas antes mencionadas, se intenta conseguir una precisión en todo el modelo tridimensional que sea inferior al milímetro. De esta manera, se explicará en todo el proceso la metodología utilizada en el trabajo,para examinar otra metodología más efectiva y de menor coste.

Modelización tridimensional del Galeón Flamenco del Museo Naval de Madrid por métodos fotogramétricos (casco y arboladura).

El propósito principal del proyecto es la realización del modelo tridimensional del Galeón Flamenco del Museo Naval, con un tamaño de 18 cm de ancho, 110 cm de alto y 124 cm de largo. Debido a la antigüedad de la pieza y su fragilidad, la combinación de la fotogrametría y la topografía industrial son las técnicas ideales para su representación tanto por conservación como por su alta precisión. Con la utilización de las técnicas antes mencionadas, se intenta conseguir una precisión en todo el modelo tridimensional que sea inferior al milímetro. De esta manera, se explicará en todo el proceso la metodología utilizada en el trabajo,para examinar otra metodología más efectiva y de menor coste.

Obtención del modelo tridimensional de la puerta de La Latina del S. XVI d.C. mediante equipo láser escáner terrestre.

El objetivo de este Proyecto Fin de Carrera (PFC) es la obtención de un modelo tridimensional de “La Puerta de la Latina”, ubicada en el aparcamiento delantero de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid. El levantamiento se realiza con el equipo láser escáner terrestre Riegl LMS-Z420i. Tras la toma de datos se efectuará el tratamiento de la nube de puntos y se obtendrá una “imagen realista” del modelo, entendiendo por “imagen realista”una representación final en la que, partiendo del modelo digital triangulado, se realiza una asignación de texturas a partir de imágenes obtenidas in situ. Este proyecto pretende ser un ensayo de las posibilidades de esta tecnología en el proceso de la representación tridimensional de edificios de interés arquitectónico e histórico.

Desarrollo e implementación de un sistema robótico aéreo con programación tridimensional orientado al recorrido de rutas

En la actualidad se estudia en numerosos campos cómo automatizar distintas tareas ejecutadas por aeronaves con tripulación humana. Estas tareas son en todos los casos muy costosos, debido al gran consumo de combustible, gran coste de adquisición y mantenimiento de la propia aeronave, todo ello sin contar el riesgo para los mismos tripulantes. Como ejemplo de estas tareas se puede incluir la vigilancia policial y fronteriza, revisiones de tendidos de alta tensión, la alerta temprana de incendios forestales y la medición de parámetros contaminantes. El objetivo de este proyecto es el diseño y la construcción de un prototipo electrónico empotrado basado en microcontrolador con núcleo C8051 de Silicon labs, que sea capaz de gobernar una aeronave de radiocontrol de forma transparente, de manera que en un futuro se pueda sustituir el propio aeromodelo, con la modificación de algunos parámetros, para poder incorporar sistemas de video o distintos medios de detección de variables. El prototipo seguirá una ruta confeccionada y transferida como un archivo de texto con un formato determinado que contendrá los datos necesarios para poder navegar mediante GPS. El trabajo con los modelos de motorización térmica (motores de combustión interna tipo glow, en este caso) resulta peligroso debido a la gran energía que son capaces de alcanzar. A fin de mantener la máxima seguridad durante la evolución del proyecto, se ha diseñado un proceso de tres partes independientes que permitan la correcta familiarización de los distintos componentes que se emplearán. Las fases son las siguientes: 1. Test y modelado de todos los componentes mediante pequeños montajes con protoboard de inserción y programas individuales. Se realizará mediante una tarjeta multipropósito que contendrá un microcontrolador similar en características, aunque de menor complejidad, al del prototipo final. 2. Integración de todos los componentes mediante una tarjeta especialmente diseñada que servirá de interfaz entre la tarjeta multipropósito y todo el hardware necesario para el control de un vehículo terrestre de iguales características (actuadores y motorización) al aeromodelo. 3. Diseño de un sistema embebido que concentre todos los subsistemas desarrollados en las fases anteriores y que integre todos los componentes necesarios para el gobierno de una aeronave de ala fija. ABSTRACT. Nowadays, the way of automating different tasks done by manned vehicles is studied. These tasks are any case very expensive, due to large fuel consumption, costs of aircraft buying, without taking into account the risk for human crew. As an example of these tasks, we can include policing or border surveillance, maintenance of high voltage lines, early warning of forest fire and measuring of pollution parameters. The target of this project is the design and construction of an embedded electronic prototype, based on a microcontroller with C8051 core from Silicon labs, and it will be able to controlling an aircraft transparently, in order that in the future the flying model could be changed with the modification of some parameters, and video or any variables detection systems could be added. The prototype will follow a designed and transferred path as an plain text file with a given format, that will contain all the necessary data for GPS navigation. Working with heat engine models (internal combustion engine, glow type, in this case) becomes dangerous due to the large energy that can be able to acquire. In order to keep the maximum safety level during the project evolution a three independent stages process have been designed, this allows familiarizing properly with the parts that will be used. The stages are as follows: 1. Test and modeling of all of the parts by little assemblies with through-hole protoboard and stand alone programs. It will be done with a multipurpose card which contains a microcontroller of similar characteristics, although less complex, of the final prototype. 2. Integrating of all of parts through a dedicated design card that will serve as interface between multipurpose card and all the necessary hardware for controlling a ground vehicle with the same characteristics (actuators and engine) of the flying model. 3. Embedded system designing that contains all the developed subsystems in the previous stages and integrates all the necessary parts for controlling a fixed-wing aircraft.