Contribute to the Study of Vertical Distribution of Conventional No-Till Seeders and Spatial Variability of Seed Depth Placement of Maize in Alentejo, Portugal

Entre os vários fatores que contribuem para a produção de uma cultura de milho, a distribuição vertical dos semeadores avaliada através da localização da semente em profundidade é um fator-chave, especialmente na técnica de sementeira direta. Simultaneamente, dada a complexidade dos ecossistemas naturais e agrícolas em sistemas de agricultura de conservação, a gestão diferenciada e localizada das parcelas assume um importante papel na análise e gestão da variabilidade das propriedades do solo e estabelecimento das culturas, nomeadamente utilizando informação geo referenciada e tecnologia expedita. Assim, o principal objetivo desta Tese foi a avaliação em culturas de milho da variabilidade espacial da localização de semente em profundidade e estabelecimento da cultura em sementeira direta usando sistemas convencionais de controlo de profundidade, tendo-se comparado com diferentes sistemas de mobilização e recorrendo a tecnologias de agricultura de precisão. Os ensaios decorreram na região Mediterrânea do Alentejo, em propriedades agrícolas no decorrer das campanhas de 2010, 2011, 2012 e 2015 em 6 diferentes campos experimentais. O trabalho experimental consistiu em ensaios com avaliações in loco do solo e cultura, consumo de combustível das operações e deteção remota. Os resultados obtidos indicam que não só o sistema de mobilização afetou a localização da semente em profundidade, como em sementeira direta a profundidade de sementeira foi afetada pelo teor de humidade do solo, resistência do solo à profundidade e velocidade da operação de sementeira. Adicionalmente observaram-se condições heterogéneas de emergência e estabelecimento da cultura afetadas por condições físicas de compactação do solo. Comparando os diferentes sistemas de mobilização, obteve-se uma significativa redução de combustível para a técnica de sementeira direta, apesar de se terem observado diferenças estatísticas significativas considerando diferentes calibrações de profundidade de sementeira Do trabalho realizado nesta Tese ressalva-se a importância que as tecnologias de agricultura de precisão podem ter no acompanhamento e avaliação de culturas em sementeira direta, bem como a necessidade de melhores procedimentos no controlo de profundidade dos semeadores pelo respetivos operadores ou ao invés, a adoção de semeadores com mecanismos ativos de controlo de profundidade. ABSTRACT Among the various factors that contribute towards producing a successful maize crop, seeders vertical distribution evaluated through seed depth placement is a key determinant, especially under a no-tillage technique. At the same time in conservation agriculture systems due to the complexity of natural and agricultural ecosystems site specific management became an important approach to understand and manage the variability of soil properties and crop establishment, especially when using geo spatial information and affording readily technology Thus, the main objective of this Thesis was to evaluate the spatial variability of seed depth placement and crop establishment in maize crops under no-tillage conditions compared to different tillage systems, using conventional seed depth control no till seeders and precision farming technologies. Trials were carried out in the Mediterranean region of Alentejo, in private farms along the sowing operations season over the years 2010, 2011, 2012 and 2015 in 6 different experimental fields. Experimental work covered field tests with in loco soil and crop evaluations, fuel operation evaluations and aerial sensing. The results obtained indicate that not only tillage system affected seed depth placement but under no till conditions seed depth was affected by soil moisture content, soil resistance to penetration and seeders forward speed. In addition uneven crop seedling and establishment depended on seed depth placement and could be affected by physical problems of compaction layers. Significant reduction in fuel consumption was observed for no till operations although significant differences observed according to different setting calibrations of seed depth control. According to the results, precision agriculture is an important tool to evaluate crops under no till conditions and seed depth mechanisms should be more accurate by the operators or is determinant the adoption of new active depth control technology to improve seeders performance.

Estudio teórico y experimental de temperaturas y deformaciones en un puente integral

En el presente trabajo se realiza un análisis teórico – experimental de un paso superior de autopista instrumentado para medir deformaciones, desplazamientos y temperatura. Además, se realiza una descripción de los puentes integrales en general, describiendo sus particularidades, ventajas e inconvenientes y el posible ámbito de aplicación que tienen en las redes de infraestructuras. En primer lugar, se describe el puente instrumentado, tanto en cuanto a su geométria, dimensiones y materiales, como en cuanto a la instrumentación empleada para su estudio. Posteriormente se analizan de forma pormenorizada las diferentes acciones que afectan de forma relevante a los puentes en general, y muy especialmente a los puentes integrales, como son las acciones de peso propio, carga muerta y pretensado, y de forma especial la acción térmica y las acciones reológicas de retracción y fluencia. La acción de temperatura se analiza de forma pormenorizada obteniendo representaciones de las componentes uniforme de temperatura, y de los gradientes lineales y no lineales respectivamente, a partir de las temperaturas instrumentadas en los distintos puntos de varias secciones. Se comparan estos resultados con los valores normativos. Posteriormente se realiza un análisis de los fenómenos reológicos, estudiando la influencia de los diferentes parámetros que influyen en su desarrollo, tanto según las normativas vigentes como según otras formulaciones, como es la formulación de Bazant. Se realizan comprobaciones respecto a la bondad de las leyes que gobiernan el comportamiento reológico del hormigón para distintas series experimentales, tanto del grupo de Hormigón Estructural de la UPM como de la serie RILEM. Finalmente, a partir de ese estudio se trata de obtener conclusiones respecto a las leyes específicas que gobiernan el comportamiento reológico de los hormigones empleados en la obra. Procesando los resultados experimentales de deformaciones en distintos puntos de varias secciones transversales del puente se obtienen deformaciones medias y curvaturas. Por otro lado, se dispone de registros de desplazamientos y giros en distintos puntos del puente. Se contrastan las estimaciones realizadas tanto de las componentes de temperatura como de los planos de ajuste de deformación. Para ello se comparan la integración de deformaciones medias y curvaturas a lo largo del puente con los registros de desplazamientos y giros respectivamente. Finalmente, se realizan estimaciones teóricas de rangos tanto de deformaciones como de movimientos a lo largo del puente y se comparan con los valores experimentales medidos y estimados, comprobándose que puede obtenerse una predicción realista del comportamiento complejo de un puente integral mediante métodos sencillos, teniendo en cuenta factores de incertidumbre provenientes sobre todo de las acciones reológicas.

Estudio experimental del comportamiento de juntas entre hormigones "in situ" y prefabricados con distintos tratamientos en la unión

Las piezas compuestas, constituidas por una parte prefabricada y otra hormigonada in situ, comenzaron a ser investigadas hace más de 30 años, dado el interés que su utilización despertó, por tratarse de elementos semiindustrializados de gran campo de aplicación. Las investigaciones que han sido desarrolladas han abordado el estudio del comportamiento de uniones con armaduras de cosido atravesando las "interfaces" o superficies de contacto, siendo más escasas las investigaciones concernientes a piezas sin tal armadura. Estudios sobre las condiciones específicas de ejecución en lo referente a tratamiento de las superficies de contacto, estado de saturación de la unión, sistema de compactación, no se han abordado de forma sistemática en las investigaciones precedentes. Hoy en día se conocen con buena aproximación los mecanismos de transferencia del esfuerzo rasante en las piezas compuestas. También se han evaluado en investigaciones precedentes la aplicabilidad de los modelos de ensayo a los estudios de la influencia de determinadas variables que condicionan la resistencia a rasante en función de las características de las piezas, tanto tipológicas como de comportamiento. Por último son múltiples las normas y documentos técnicos de organizaciones especializadas que contemplan procedimientos para comprobar la resistencia de las uniones y establecer limites últimos o de servicio a las tensiones rasantes. En los momentos actuales algunos investigadores centran sus estudios en el establecimiento de modelos teóricos que permitan evaluar los comportamientos de las uniones, tras el ajuste de tales modelos con resultados experimentales. Han sido escasas las investigaciones sistemáticas de piezas con "interfaces" sin armadura de cosido que analicen los parámetros condicionados por la propia ejecución cuando tales tipos de pieza son ampliamente utilizadas en nuestro país en soluciones de forjado de edificación. Del análisis del comportamiento de tales "interfaces" pueden, por otra parte, obtenerse conclusiones aplicables para juzgar el comportamiento en servicio de piezas con "interfaces" armadas, en lo referente, al menos, a su deformabilidad. Por tales motivos se justifica el interés de la investigación experimental que nos propusimos desarrollar. Para la investigación experimental adoptamos un modelo de viga, y previamente confirmamos la idoneidad mediante ensayos piloto sobre la influencia de la disposición de la carga. Como variables básicas de la investigación adoptamos dos estados de saturación superficial, húmedo (H) y encharcado (E); dos sistemas de compactación, picado con barra (P) y vibración interna (V); por último adoptamos dos tratamientos de la unión, natural (N) y cepillada (C). Complementariamente seleccionamos dos nuevas variables de estado superficial de tratamiento de la "interface", peinada (P) y tampeada (T), así como un nuevo estado de humedad superficial desecando la superficie artificialmente (AD). Las variables seleccionadas configuraron 11 combinaciones que condujeron a la fabricación y ensayo de 22 vigas al adoptar dos ejemplares idénticos por grupo de variables. Los ensayos fueron realizados en el laboratorio del Instituto Técnico de Materiales y Construcciones, obteniéndose resultados sobre la resistencia rasante en agotamiento, los corrimientos relativos entre las dos partes de la pieza compuesta y las flechas alcanzadas en el centro del vano de viga, durante todo el proceso de carga. Previamente a la realización del ensayo, fueron muestreados y ensayados los materiales, tanto los constituyentes de los hormigones como los propios hormigones y aceros para armaduras. El hormigón empleado se situó, para la edad de ensayo, en la gama de resistencia entre 166 y 250 kp/cm, con valores medios de 203 kp/cm y característicos de 177 kp/cm. Complementariamente, y antes del hormigonado de la segunda fase, se procedió a medir la rugosidad específica de acuerdo con las recomendaciones FIP y norma SIS-812005. Durante el ensayo, asimismo, se registraron los esquemas de fisuración en cada escalón de carga, definiéndose por último los esquemas de rotura, que en todos los casos, correspondió al de agotamiento frente a esfuerzo rasante. Los resultados de ensayo han sido analizados para evaluar la influencia de los parámetros investigados tanto en el comportamiento frente a estados límites de servicio, fisuración y deformaciones, como frente a los estados límites últimos condicionados por la investigación que fueron los de rasante. Para juzgar los resultados de la resistencia a rasante, los valores del esfuerzo cortante último han sido transformados en tensiones rasantes adoptando un modelo teórico simple y homogeneizando los valores de tensiones, en función de la resistencia más baja de las dos partes de la pieza, a hormigones tipo de 200 kp/cm, procediendo a comparar las variables investigadas entre si por la relación de los valores medios registrados en ensayo. Para juzgar el comportamiento en servicio, se han comparado los esquemas de fisuración, así como la relación entre flechas obtenidas en ensayo y las flechas teóricas calculadas adoptando el modelo de inercia eficaz de Branson, evaluando en consecuencia la influencia de las diferentes variables. Por último, hemos analizado la influencia de la rugosidad en la resistencia frente a rasante, así como la influencia de las variables en el corrimiento relativo para definir que mecanismo de transferencia a rasante se moviliza, fundamentalmente en estas uniones sin armadura. Como conclusiones básicas de la investigación se establecen la nula dependencia de la resistencia a rasante con los procedimientos de compactación para la tipología de pieza ensayada, así como la nula influencia de la rugosidad ni la apreciable incidencia de los procesos de tratamiento de la unión, mediante peinado y tampeado con la técnica utilizada. Por el contrario, de la investigación se desprende un efecto positivo del cepillado de la unión frente al estado natural de hormigonado y subsiguiente compactación y negativo del encharcamiento frente a los estados de unión humedecida e incluso de "interface" artificialmente desecada. Queda confirmada, asimismo, la extraordinaria rigidez de la unión en todos los casos, así como la inapreciable influencia de los parámetros investigados en el comportamiento de las piezas ensayadas frente a las características que condicionan su deformabilidad y esquemas de fisuración.

Experimental and numerical study of cracking of concrete due to reinforcement corrosion

La corrosión del acero es una de las patologías más importantes que afectan a las estructuras de hormigón armado que están expuestas a ambientes marinos o al ataque de sales fundentes. Cuando se produce corrosión, se genera una capa de óxido alrededor de la superficie de las armaduras, que ocupa un volumen mayor que el acero inicial; como consecuencia, el óxido ejerce presiones internas en el hormigón circundante, que lleva a la fisuración y, ocasionalmente, al desprendimiento del recubrimiento de hormigón. Durante los últimos años, numerosos estudios han contribuido a ampliar el conocimiento sobre el proceso de fisuración; sin embargo, aún existen muchas incertidumbres respecto al comportamiento mecánico de la capa de óxido, que es fundamental para predecir la fisuración. Por ello, en esta tesis se ha desarrollado y aplicado una metodología, para mejorar el conocimiento respecto al comportamiento del sistema acero-óxido-hormigón, combinando experimentos y simulaciones numéricas. Se han realizado ensayos de corrosión acelerada en condiciones de laboratorio, utilizando la técnica de corriente impresa. Con el objetivo de obtener información cercana a la capa de acero, como muestras se seleccionaron prismas de hormigón con un tubo de acero liso como armadura, que se diseñaron para conseguir la formación de una única fisura principal en el recubrimiento. Durante los ensayos, las muestras se equiparon con instrumentos especialmente diseñados para medir la variación de diámetro y volumen interior de los tubos, y se midió la apertura de la fisura principal utilizando un extensómetro comercial, adaptado a la geometría de las muestras. Las condiciones de contorno se diseñaron cuidadosamente para que los campos de corriente y deformación fuesen planos durante los ensayos, resultando en corrosión uniforme a lo largo del tubo, para poder reproducir los ensayos en simulaciones numéricas. Se ensayaron series con varias densidades de corriente y varias profundidades de corrosión. De manera complementaria, el comportamiento en fractura del hormigón se caracterizó en ensayos independientes, y se midió la pérdida gravimétrica de los tubos siguiendo procedimientos estándar. En todos los ensayos, la fisura principal creció muy despacio durante las primeras micras de profundidad de corrosión, pero después de una cierta profundidad crítica, la fisura se desarrolló completamente, con un aumento rápido de su apertura; la densidad de corriente influye en la profundidad de corrosión crítica. Las variaciones de diámetro interior y de volumen interior de los tubos mostraron tendencias diferentes entre sí, lo que indica que la deformación del tubo no fue uniforme. Después de la corrosión acelerada, las muestras se cortaron en rebanadas, que se utilizaron en ensayos post-corrosión. El patrón de fisuración se estudió a lo largo del tubo, en rebanadas que se impregnaron en vacío con resina y fluoresceína para mejorar la visibilidad de las fisuras bajo luz ultravioleta, y se estudió la presencia de óxido dentro de las grietas. En todas las muestras, se formó una fisura principal en el recubrimiento, infiltrada con óxido, y varias fisuras secundarias finas alrededor del tubo; el número de fisuras varió con la profundidad de corrosión de las muestras. Para muestras con la misma corrosión, el número de fisuras y su posición fue diferente entre muestras y entre secciones de una misma muestra, debido a la heterogeneidad del hormigón. Finalmente, se investigó la adherencia entre el acero y el hormigón, utilizando un dispositivo diseñado para empujar el tubo en el hormigón. Las curvas de tensión frente a desplazamiento del tubo presentaron un pico marcado, seguido de un descenso constante; la profundidad de corrosión y la apertura de fisura de las muestras influyeron notablemente en la tensión residual del ensayo. Para simular la fisuración del hormigón causada por la corrosión de las armaduras, se programó un modelo numérico. Éste combina elementos finitos con fisura embebida adaptable que reproducen la fractura del hormigón conforme al modelo de fisura cohesiva estándar, y elementos de interfaz llamados elementos junta expansiva, que se programaron específicamente para reproducir la expansión volumétrica del óxido y que incorporan su comportamiento mecánico. En el elemento junta expansiva se implementó un fenómeno de despegue, concretamente de deslizamiento y separación, que resultó fundamental para obtener localización de fisuras adecuada, y que se consiguió con una fuerte reducción de la rigidez tangencial y la rigidez en tracción del óxido. Con este modelo, se realizaron simulaciones de los ensayos, utilizando modelos bidimensionales de las muestras con elementos finitos. Como datos para el comportamiento en fractura del hormigón, se utilizaron las propiedades determinadas en experimentos. Para el óxido, inicialmente se supuso un comportamiento fluido, con deslizamiento y separación casi perfectos. Después, se realizó un ajuste de los parámetros del elemento junta expansiva para reproducir los resultados experimentales. Se observó que variaciones en la rigidez normal del óxido apenas afectaban a los resultados, y que los demás parámetros apenas afectaban a la apertura de fisura; sin embargo, la deformación del tubo resultó ser muy sensible a variaciones en los parámetros del óxido, debido a la flexibilidad de la pared de los tubos, lo que resultó fundamental para determinar indirectamente los valores de los parámetros constitutivos del óxido. Finalmente, se realizaron simulaciones definitivas de los ensayos. El modelo reprodujo la profundidad de corrosión crítica y el comportamiento final de las curvas experimentales; se comprobó que la variación de diámetro interior de los tubos está fuertemente influenciada por su posición relativa respecto a la fisura principal, en concordancia con los resultados experimentales. De la comparación de los resultados experimentales y numéricos, se pudo extraer información sobre las propiedades del óxido que de otra manera no habría podido obtenerse. Corrosion of steel is one of the main pathologies affecting reinforced concrete structures exposed to marine environments or to molten salt. When corrosion occurs, an oxide layer develops around the reinforcement surface, which occupies a greater volume than the initial steel; thus, it induces internal pressure on the surrounding concrete that leads to cracking and, eventually, to full-spalling of the concrete cover. During the last years much effort has been devoted to understand the process of cracking; however, there is still a lack of knowledge regarding the mechanical behavior of the oxide layer, which is essential in the prediction of cracking. Thus, a methodology has been developed and applied in this thesis to gain further understanding of the behavior of the steel-oxide-concrete system, combining experiments and numerical simulations. Accelerated corrosion tests were carried out in laboratory conditions, using the impressed current technique. To get experimental information close to the oxide layer, concrete prisms with a smooth steel tube as reinforcement were selected as specimens, which were designed to get a single main crack across the cover. During the tests, the specimens were equipped with instruments that were specially designed to measure the variation of inner diameter and volume of the tubes, and the width of the main crack was recorded using a commercial extensometer that was adapted to the geometry of the specimens. The boundary conditions were carefully designed so that plane current and strain fields were expected during the tests, resulting in nearly uniform corrosion along the length of the tube, so that the tests could be reproduced in numerical simulations. Series of tests were carried out with various current densities and corrosion depths. Complementarily, the fracture behavior of concrete was characterized in independent tests, and the gravimetric loss of the steel tubes was determined by standard means. In all the tests, the main crack grew very slowly during the first microns of corrosion depth, but after a critical corrosion depth it fully developed and opened faster; the current density influenced the critical corrosion depth. The variation of inner diameter and inner volume of the tubes had different trends, which indicates that the deformation of the tube was not uniform. After accelerated corrosion, the specimens were cut into slices, which were used in post-corrosion tests. The pattern of cracking along the reinforcement was investigated in slices that were impregnated under vacuum with resin containing fluorescein to enhance the visibility of cracks under ultraviolet lightening and a study was carried out to assess the presence of oxide into the cracks. In all the specimens, a main crack developed through the concrete cover, which was infiltrated with oxide, and several thin secondary cracks around the reinforcement; the number of cracks diminished with the corrosion depth of the specimen. For specimens with the same corrosion, the number of cracks and their position varied from one specimen to another and between cross-sections of a given specimen, due to the heterogeneity of concrete. Finally, the bond between the steel and the concrete was investigated, using a device designed to push the tubes of steel in the concrete. The curves of stress versus displacement of the tube presented a marked peak, followed by a steady descent, with notably influence of the corrosion depth and the crack width on the residual stress. To simulate cracking of concrete due to corrosion of the reinforcement, a numerical model was implemented. It combines finite elements with an embedded adaptable crack that reproduces cracking of concrete according to the basic cohesive model, and interface elements so-called expansive joint elements, which were specially designed to reproduce the volumetric expansion of oxide and incorporate its mechanical behavior. In the expansive joint element, a debonding effect was implemented consisting of sliding and separation, which was proved to be essential to achieve proper localization of cracks, and was achieved by strongly reducing the shear and the tensile stiffnesses of the oxide. With that model, simulations of the accelerated corrosion tests were carried out on 2- dimensional finite element models of the specimens. For the fracture behavior of concrete, the properties experimentally determined were used as input. For the oxide, initially a fluidlike behavior was assumed with nearly perfect sliding and separation; then the parameters of the expansive joint element were modified to fit the experimental results. Changes in the bulk modulus of the oxide barely affected the results and changes in the remaining parameters had a moderate effect on the predicted crack width; however, the deformation of the tube was very sensitive to variations in the parameters of oxide, due to the flexibility of the tube wall, which was crucial for indirect determination of the constitutive parameters of oxide. Finally, definitive simulations of the tests were carried out. The model reproduced the critical corrosion depth and the final behavior of the experimental curves; it was assessed that the variation of inner diameter of the tubes is highly influenced by its relative position with respect to the main crack, in accordance with the experimental observations. From the comparison of the experimental and numerical results, some properties of the mechanical behavior of the oxide were disclosed that otherwise could not have been measured.

Simulación tridimensional de una cámara de combustión experimental para obtener los campos de velocidad, presión y temperatura, mediante el software CFX 5.6

El objetivo de la presente investigación es predecir los campos de velocidad, presión y temperatura en una cámara de combustión experimental, mediante la técnica de la simulación numérica de flujo de fluidos. Para ello se revisa el procedimiento de solución numérica de las ecuaciones de transporte, aplicadas a la cámara de combustión experimental. La simulación está basada en el software CFX 5.6, el cual fue adquirido por la universidad nacional experimental del Táchira por medio del Decanato de Post-grado y de Investigación. Se hace un estudio de la sensibilidad de malla para adecuar el criterio de convergencia que el software requiere. La cámara de combustión experimental empleada para éste estudio es una cámara de combustión diseñada por estudiantes de Pre-grado para determinar la temperatura de flama adiabática, aunque el diseño de esta cámara no es estándar, es útil para medir la temperatura en tiempo real. El combustible empleado para éste análisis es propano (C3H8) el cual es inyectado a la cámara de combustión por una tubería concéntrica al flujo de aire. En la solución de la simulación computacional se aprecia, a través del perfil de temperatura, la envolvente de la llama, formada por el contorno de temperatura máxima, la cual es similar a la observada en cualquier cámara de combustión.