Modelos numéricos para el estudio de incendios en túneles

Si se estudian los distintos métodos existentes actualmente para el estudio del comportamiento de los incendios en túneles no parece que se disponga de una solución única y definitiva. Tanto los métodos numéricos como los modelos fisicos a escala tienen sus limitaciones y ventajas. Por tanto, puede decirse que se trata de enfoques complementarios y que deben emplearse todos cuando la importancia de la obra así lo requiera.Desde el punto de vista del proyecto cabe indicar la necesidad de que los cálculos no se limiten al dimensionamiento del sistema de ventilación sino que incluyan pautas de actuación sencillas que puedan ser seguidas de forma refleja por los responsables del Centro de Control en los primeros momentos del incendio ya que ello es clave en el éxito del proceso de evacuación. En este sentido es perentorio el desarrollo de simuladores numéricos que puedan ser utilizados en el entrenamiento y formación de los operadores del Centro de Control.

Modelos numéricos en la construcción de los túneles de "El Padrún"

La construcción de los túneles de El Padrún constituye un hito en la realización de obras subterráneas en España. Su ejecución se ha caracterizado por la utilización de la más reciente tecnología. La aplicación del llamado Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles (NATM) como base del proyecto se ha llevado a cabo con rigor en todos sus extremos. De acuerdo a esta filosofía, el trabajo de la Asistencia Técnica se ha centrado en una doble línea: el control instrumental sistemático de la obra, y la interpretación de los datos recogidos mediante análisis numérico. El primer objetivo se ha cubierto mediante un ambicioso plan de instrumentación. En él se han incluido medidas para la caracterización del sistema terreno-sostenimiento. La información se ha mantenido centralizada en una base de datos dispuesta a pie de obra. Los datos recogidos de la instrumentación han sido la base de modelos teóricos desarrollados con el objetivo de interpretar la evolución de convergencias e identificar las presiones actuantes sobre el sostenimiento. Por otro lado, en el análisis de estabilidad exterior e interior se han aplicado refinadas técnicas de cálculo numérico (Elementos Finitos, Elementos de Contorno, Teoría de Bloques etc.). Finalmente, se ha desarrollado una aplicación específica de Métodos de Fiabilidad. En ella se aborda, con un planteamiento avanzado, el problema de evaluación de la seguridad de la obra.

Modelos numéricos para el estudio de la ventilación en túneles

En túneles con ventilación longitudinal la actuación sobre los ventiladores es fundamental para evitar una catástrofe en caso de accidente con fuego. En este artículo se presentan tres modelos de cálculo que permiten el estudio de estas situaciones.

Modelos numéricos para estudios de incendio en túneles con ventilación longitudinal

En casos de accidentes severos en túneles se requiere una adecuada estrategia para evitar pérdidas humanas. En túneles con ventilación longitudinal el recurso fundamental es la actuación sobre los ventiladores de chorro para dirigir o concentrar la nube de humo. Las situaciones más comprometidas se presentan en túneles con doble sentido de circulación. En este artículo se presentan varios modelos numéricos de distinta complejidad y coste que permiten el análisis e interpretación de accidentes con fuego. Finamente se muestran ejemplos de aplicación a casos reales, en particular los realizados para los túneles de El Negrón II y Los Yébenes.

Modelos numéricos para la simulación de incendios en túneles con ventilación semi transversal y trampillas de extracción

El incremento experimentado por la construcción de grandes túneles ha provocado un renovado interés por el estudio de las diferentes situaciones de accidente que se pueden producir durante su vida de servicio. Entre ellos uno de los más complicados y peor conocidos es el caso de un accidente con fuego en el interior del túnel. Mediante el uso de un método numérico de volúmenes finitos este articulo presenta un estudio sobre las implicaciones del uso de trampillas de extracción de humos así como algunas conclusiones obtenidas tras el estudio de los resultados. La nueva red de carreteras es uno de los factores básicos de cohesión entre los países de la Unión Europea. Las estrictas condiciones impuestas en su proyecto para favorecer la rápida distribución de personas y bienes, tienen gran influencia en la construcción de túneles mayores y más largos que, además, sufren el paso de un numero de vehículos en continuo crecimiento. Este aumento de tráfico se ve acompañado por una demanda de confort y seguridad especialmente en lo que se refiere a la ventilación necesaria para mantener controlada la contaminación en el interior del túnel así como en las precauciones que deben establecerse para limitar el daño y las muertes que puedan surgir durante el desarrollo de un incendio. En túneles urbanos, donde la contaminación provocada por el trafico puede afectar al ambiente, tradicionalmente se ha tomado como factor dimensionante la situación de servicio en condiciones de intensidad nominal. Sin embargo, la reducción en la emisión de contaminantes como consecuencia de reglamentos mas estrictos ha inclinado la balanza hacia el esceiario de fuego como el más necesitado de estudio. En medio urbano esa situación se complica en caso de tráfico saturado. Puesto que esta condición "accidental" es independiente del tráfico que cruza el túnel (salvo a efectos de las filosofías de actuación sobre los sistemas de ventilación) se concluye que esta situación es la condición dimensionante del sistema. Existe una larga tradición en el estudio de estos temas que puede seguirse en la serie de Conferencias organizadas por la BHRA desde 1975 o las recomendaciones preparadas por el Grupo de túneles de la PIARC.

Modelos numéricos en dinámica suelo-estructura : Discurso de ingreso [en la Real Academia de Ingeniería] del Excmo. Sr. D. José Domínguez Abascal y contestación del académico Excmo. Sr. D. Enrique Alarcón Álvarez

El discurso dedica una parte significativa a mostrar algunos estudios sobre el comportamiento dinámico de estructuras en las que la interacción con el suelo juega un papel importante, en su respuesta ante solicitaciones que varían rápidamente a lo largo del tiempo. Problemas tales como: el del comportamiento de una turbina generadora de electricidad, la respuesta sísmica de un gran edificio, la de una presa o la de una central nuclear, o el comportamiento dinámico de un tren cuando circula a 300 Km/h, tienen en común que ninguno de ellos puede ser analizado estudiando aisladamente la turbina, el edificio, la presa, la central o el tren, sino que cualquiera de ellos debe estudiarse como un sistema acoplado donde intervienen, la estructura de referencia y el suelo que la soporta. En todos ellos, la propagación de ondas en el suelo juega un papel primordial en el comportamiento del sistema y por tanto, en el de la estructura. La última parte de su intervención la dedica a algo, que siendo distinto de lo anterior, no es ajeno a cualquier actividad investigadora llevada a cabo por un universitario. Trata brevemente sobre el papel que juega la universidad en la creación del conocimiento científico y técnico, y en su puesta en valor al servicio de la sociedad.

El papel de los modelos numéricos en la investigación y el diseño de aliviaderos de presas

Las conferencias presentadas durante la Jornada Técnica sobre Avances en investigación aplicada en seguridad hidráulica de presas organizada por el Centro de Estudios Hidrográficos del CEDEX y la Universidad Politécnica de Madrid el mes de junio de 2013 versan sobre la mejora de la seguridad hidráulica de las presas, una materia de especial importancia en nuestro país (habida cuenta del elevado número de infraestructuras de regulación en servicio y de su antigüedad media) y constituye una tarea en la que tanto el CEDEX como la Universidad Politécnica de Madrid han trabajado activamente en los últimos años. El Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) es un centro de investigación dependiente del Gobierno de Cataluña y de la Universidad Politécnica de Cataluña creado en 1987. Su principal actividad es el desarrollo y aplicación de métodos numéricos innovadores para resolver problemas prácticos en diversos campos de la ingeniería, y se desarrolla fundamentalmente en el marco de proyectos de investigación nacionales e internacionales. En los últimos años el centro ha participado en diversos proyectos relacionados con la seguridad de presas, fundamentalmente hidráulica, pero también estructural, en cooperación con diversas empresas y organismos públicos de investigación como el CEDEX y la UPM. La presente comunicación describe brevemente los objetivos principales de los mencionados proyectos, haciendo hincapié en cómo la modelación numérica ha contribuido a alcanzarlos.

Modelos numéricos para la simulación de incendios en túneles con ventilación semi transversal y trampillas de extracción

El incremento experimentado por la construcción de grandes túneles ha provocado un renovado interés por el estudio de las diferentes situaciones de accidente que se pueden producir durante su vida de servicio. Entre ellos uno de los más complicados y peor conocidos es el caso de un accidente con fuego en el interior del túnel. Mediante el uso de un método numérico de volúmenes finitos este articulo presenta un estudio sobre las implicaciones del uso de trampillas de extracción de humos así como algunas conclusiones obtenidas tras el estudio de los resultados.

Integración de modelos numéricos de glaciares y procesado de datos de georradar en un sistema de información geográfica

Los modelos de termomecánica glaciar están definidos mediante sistemas de ecuaciones en derivadas parciales que establecen los principios básicos de conservación de masa, momento lineal y energía, acompañados por una ley constitutiva que define la relación entre las tensiones a las que está sometido el hielo glaciar y las deformaciones resultantes de las mismas. La resolución de estas ecuaciones requiere la definición precisa del dominio (la geometría del glaciar, obtenido a partir de medidas topográficas y de georradar), así como contar con un conjunto de condiciones de contorno, que se obtienen a partir de medidas de campo de las variables implicadas y que constituyen un conjunto de datos geoespaciales. El objetivo fundamental de esta tesis es desarrollar una serie de herramientas que nos permitan definir con precisión la geometría del glaciar y disponer de un conjunto adecuado de valores de las variables a utilizar como condiciones de contorno del problema. Para ello, en esta tesis se aborda la recopilación, la integración y el estudio de los datos geoespaciales existentes para la Península Hurd, en la Isla Livingston (Antártida), generados desde el año 1957 hasta la actualidad, en un sistema de información geográfica. Del correcto tratamiento y procesamiento de estos datos se obtienen otra serie de elementos que nos permiten realizar la simulación numérica del régimen termomecánico presente de los glaciares de Península Hurd, así como su evolución futura. Con este objetivo se desarrolla en primer lugar un inventario completo de datos geoespaciales y se realiza un procesado de los datos capturados en campo, para establecer un sistema de referencia común a todos ellos. Se unifican además todos los datos bajo un mismo formato estándar de almacenamiento e intercambio de información, generándose los metadatos correspondientes. Se desarrollan asimismo técnicas para la mejora de los procedimientos de captura y procesado de los datos, de forma que se minimicen los errores y se disponga de estimaciones fiables de los mismos. El hecho de que toda la información se integre en un sistema de información geográfica (una vez producida la normalización e inventariado de la misma) permite su consulta rápida y ágil por terceros. Además, hace posible efectuar sobre ella una serie de operaciones conducentes a la obtención de nuevas capas de información. El análisis de estos nuevos datos permite explicar el comportamiento pasado de los glaciares objeto de estudio y proporciona elementos esenciales para la simulación de su comportamiento futuro. ABSTRACT Glacier thermo-mechanical models are defined by systems of partial differential equations stating the basic principles of conservation of mass, momentum and energy, accompanied by a constitutive principle that defines the relationship between the stresses acting on the ice and the resulting deformations. The solution of these equations requires an accurate definition of the model domain (the geometry of the glacier, obtained from topographical and ground penetrating radar measurements), as well as a set of boundary conditions, which are obtained from measurements of the variables involved and define a set of geospatial data. The main objective of this thesis is to develop tools able to provide an accurate definition of the glacier geometry and getting a proper set of values for the variables to be used as boundary conditions of our problem. With the above aim, this thesis focuses on the collection, compilation and study of the geospatial data existing for the Hurd Peninsula on Livingston Island, Antarctica, generated since 1957 to present, into a geographic information system. The correct handling and processing of these data results on a new collection of elements that allow us to numerically model the present state and the future evolution of Hurd Peninsula glaciers. First, a complete inventory of geospatial data is developed and the captured data are processed, with the aim of establishing a reference system common to all collections of data. All data are stored under a common standard format, and the corresponding metadata are generated to facilitate the information exchange. We also develop techniques for the improvement of the procedures used for capturing and processing the data, such that the errors are minimized and better estimated. All information is integrated into a geographic information system (once produced the standardization and inventory of it). This allows easy and fast viewing and consulting of the data by third parties. Also, it is possible to carry out a series of operations leading to the production of new layers of information. The analysis of these new data allows to explain past glacier behavior, and provides essential elements for explaining its future evolution.

Evaluación de la escorrentía media anual obtenida por fórmulas climáticas y modelos regionales de clima

En regiones en las que no se dispone de un modelo hidrológico correctamente calibrado para estimar la escorrentía, se puede recurrir a la utilización de la escorrentía directa simulada por los modelos climáticos o a la escorrentía calculada a partir de fórmulas climatológicas que emplean variables climáticas básicas como la precipitación, temperatura y radiación solar, simuladas por los modelos regionales de clima (MRC). El presente trabajo compara el comportamiento de la escorrentía directa obtenida por 10 simulaciones de los MRC del proyecto europeo PRUDENCE y la escorrentía media anual calculada a partir de la aplicación de cinco fórmulas climatológicas (Schreiber, Ol’dekop, Budyko, Turc-Pike, Zhang et al.) basadas en el índice de aridez, definido por la relación entre la evapotranspiración potencial y la precipitación. Series temporales mensuales de escorrentía, precipitación, temperatura y radiación solar son generadas a partir de las simulaciones de los MRC en 338 cuencas de España que cubren la totalidad del territorio peninsular, bajo condiciones de clima actual (periodo 1961-1990). La evapotranspiración potencial se obtiene usando el método presentado por Hargreaves. Estas formas funcionales estiman la relación entre la evapotranspiración actual y la precipitación y a través de un balance hídrico se calculan los valores de escorrentía anual. El comportamiento general de las variables climáticas simuladas por los MRC se caracteriza por presentar menor sesgo para precipitación y temperatura que para escorrentía. Empleando estadísticos de comparación se analiza la capacidad que tiene la escorrentía directa y la escorrentía anual calculada a partir de las fórmulas climáticas para reproducir los valores observados de escorrentía natural estimada por el modelo hidrológico distribuido SIMPA en las cuencas españolas. En total se generaron 10 series mensuales de escorrentía directa y 50 series de escorrentía anual basadas en el índice de aridez (cada fórmula climática aplicada a las 10 simulaciones de los MRC). Los resultados muestran que la fórmula de Schreiber produce la mejor aproximación a los valores observados y por tanto minimiza el sesgo predominante en la variable escorrentía. Adicionalmente, estos resultados se validan con las capas de escorrentía media anual de alta resolución proporcionada por la UNH/GRDC (University of New Hampshire/Global Runoff Data Centre) que preservan la exactitud de las medidas de las aportaciones observadas en las principales estaciones hidrológicas de todo el mundo, y que en la actualidad es el “mejor estimador” de la escorrentía terrestre sobre grandes extensiones. En este caso, los resultados muestran también que la fórmula de Schreiber estima mejor los valores de escorrentía anual que la escorrentía directa simulada por MRC.

Diseño de herramientas de labranza combinando criterios biomiméticos y métodos numéricos.

El laboreo de conservación requiere el diseño de herramientas de labranza que cumplan criterios de calidad de la labor, resistencia al desgaste y reducción del consumo energético (debido fundamentalmente a la adherencia suelo/herramienta). La biomimética es la ciencia que refiere al estudio de la estructura y la función de los sistemas biológicos como modelos para el diseño y fabricación de materiales y máquinas, en un proceso de ingeniería inversa en que el ser humano saca provecho de los procesos evolutivos de la naturaleza. En este trabajo de revisión, 1998-2013, se describen las respuestas adaptativas de diversos seres vivos al problema de la adherencia, y se analiza el caso concreto de optimización de una vertedera, un brazo de subsolador y un disco de corte empleando modelos numéricos y criterios biomiméticos. En todos los casos las etapas llevadas a cabo por distintos investigadores son: formulación del modelo de elementos finitos del apero, para posteriormente (en función de las condiciones de contorno) y de propiedades del suelo, obtener los resultados de la simulación. Por último se verifica experimentalmente con datos reales (sólo en dos de los tres ejemplos). Como resultado, comprobamos que en el caso del disco de corte la tensión total que soporta el material se reduce en un 34% con un diseño optimizado, mientras que en el caso del subsolador biomimético la resistencia horizontal y vertical se reducen en un 7% y 24% respectivamente.

Evaluación de modelos multivariados para la simulación estocástica de lluvia a escala diaria

La obtención de leyes de frecuencia de caudales de avenida mediante simulación hidrometeorológica requiere de la extensión de las series observadas de lluvia mediante series sintéticas que conserven sus propiedades extremales. Para cuencas pequeñas, cuya lluvia media pueda asimilarse a la registrada en un único pluviómetro, existen varios modelos puntuales que pueden realizar eficazmente la tarea. En el caso de cuencas medianas y grandes, deben utilizarse modelos multivariados, cuya calibración es más difícil que en el caso univariado. El objetivo de este trabajo es la simulación estocástica de lluvias a escala a través del empleo de un modelo multivariado en el tiempo y en el espacio. Para ello se ha empleado el programa Rainsim, que se basa en el modelo espacio-temporal de Neyman-Scott de pulsos rectangulares (e.g. Coperwait et al., 2002; Fowler et al., 2005; Burton et al., 2008). A partir de series históricas de lluvias se obtienen sus estadísticos, con los que se ajustan los parámetros del modelo para poder generar largas series de precipitaciones. En el trabajo se ha empleado el modelo Rainsim en un caso univariado y otro multivariado con tres pluviómetros, y se han comparado los resultados. El caso univariado es el embalse de Alloz, situado en la cuenca del Ebro, que cuenta con un pluviómetro con una serie histórica de 43 años con paso diario. En el caso multivariado se ha trabajado con el embalse de Fuensanta, situado en la cuenca del Segura, donde se escogieron tres pluviómetros (Gontar, Arguellite y Siles), que cuentan con series de datos de precipitación diaria de 31, 42 y 22 años. En los trabajos realizados se han obtenido resultados muy satisfactorios para el modelo puntual de un pluviómetro estudiado en la cuenca de Alloz, el comparar el comportamiento extremal de los datos observados y los datos simulados. En cuanto al modelo multivariado, los datos simulados presentan un comportamiento no tan acertado como en el caso univariado.

Modelos de elementos finitos explícitos para explosiones en estructuras reticuladas de hormigón armado : aplicaciones al estudio del colapso de edificios

La frecuencia con la que se producen explosiones sobre edificios, ya sean accidentales o intencionadas, es reducida, pero sus efectos pueden ser catastróficos. Es deseable poder predecir de forma suficientemente precisa las consecuencias de estas acciones dinámicas sobre edificaciones civiles, entre las cuales las estructuras reticuladas de hormigón armado son una tipología habitual. En esta tesis doctoral se exploran distintas opciones prácticas para el modelado y cálculo numérico por ordenador de estructuras de hormigón armado sometidas a explosiones. Se emplean modelos numéricos de elementos finitos con integración explícita en el tiempo, que demuestran su capacidad efectiva para simular los fenómenos físicos y estructurales de dinámica rápida y altamente no lineales que suceden, pudiendo predecir los daños ocasionados tanto por la propia explosión como por el posible colapso progresivo de la estructura. El trabajo se ha llevado a cabo empleando el código comercial de elementos finitos LS-DYNA (Hallquist, 2006), desarrollando en el mismo distintos tipos de modelos de cálculo que se pueden clasificar en dos tipos principales: 1) modelos basados en elementos finitos de continuo, en los que se discretiza directamente el medio continuo mediante grados de libertad nodales de desplazamientos; 2) modelos basados en elementos finitos estructurales, mediante vigas y láminas, que incluyen hipótesis cinemáticas para elementos lineales o superficiales. Estos modelos se desarrollan y discuten a varios niveles distintos: 1) a nivel del comportamiento de los materiales, 2) a nivel de la respuesta de elementos estructurales tales como columnas, vigas o losas, y 3) a nivel de la respuesta de edificios completos o de partes significativas de los mismos. Se desarrollan modelos de elementos finitos de continuo 3D muy detallados que modelizan el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con un modelo constitutivo del hormigón CSCM (Murray et al., 2007), que tiene un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura. El acero se representa con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura. Se modeliza la geometría precisa del hormigón mediante elementos finitos de continuo 3D y cada una de las barras de armado mediante elementos finitos tipo viga, con su posición exacta dentro de la masa de hormigón. La malla del modelo se construye mediante la superposición de los elementos de continuo de hormigón y los elementos tipo viga de las armaduras segregadas, que son obligadas a seguir la deformación del sólido en cada punto mediante un algoritmo de penalización, simulando así el comportamiento del hormigón armado. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF de continuo. Con estos modelos de EF de continuo se analiza la respuesta estructural de elementos constructivos (columnas, losas y pórticos) frente a acciones explosivas. Asimismo se han comparado con resultados experimentales, de ensayos sobre vigas y losas con distintas cargas de explosivo, verificándose una coincidencia aceptable y permitiendo una calibración de los parámetros de cálculo. Sin embargo estos modelos tan detallados no son recomendables para analizar edificios completos, ya que el elevado número de elementos finitos que serían necesarios eleva su coste computacional hasta hacerlos inviables para los recursos de cálculo actuales. Adicionalmente, se desarrollan modelos de elementos finitos estructurales (vigas y láminas) que, con un coste computacional reducido, son capaces de reproducir el comportamiento global de la estructura con una precisión similar. Se modelizan igualmente el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con el modelo constitutivo del hormigón EC2 (Hallquist et al., 2013), que también presenta un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura, y se usa en elementos finitos tipo lámina. El acero se representa de nuevo con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura, usando elementos finitos tipo viga. Se modeliza una geometría equivalente del hormigón y del armado, y se tiene en cuenta la posición relativa del acero dentro de la masa de hormigón. Las mallas de ambos se unen mediante nodos comunes, produciendo una respuesta conjunta. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF estructurales. Con estos modelos de EF estructurales se simulan los mismos elementos constructivos que con los modelos de EF de continuo, y comparando sus respuestas estructurales frente a explosión se realiza la calibración de los primeros, de forma que se obtiene un comportamiento estructural similar con un coste computacional reducido. Se comprueba que estos mismos modelos, tanto los modelos de EF de continuo como los modelos de EF estructurales, son precisos también para el análisis del fenómeno de colapso progresivo en una estructura, y que se pueden utilizar para el estudio simultáneo de los daños de una explosión y el posterior colapso. Para ello se incluyen formulaciones que permiten considerar las fuerzas debidas al peso propio, sobrecargas y los contactos de unas partes de la estructura sobre otras. Se validan ambos modelos con un ensayo a escala real en el que un módulo con seis columnas y dos plantas colapsa al eliminar una de sus columnas. El coste computacional del modelo de EF de continuo para la simulación de este ensayo es mucho mayor que el del modelo de EF estructurales, lo cual hace inviable su aplicación en edificios completos, mientras que el modelo de EF estructurales presenta una respuesta global suficientemente precisa con un coste asumible. Por último se utilizan los modelos de EF estructurales para analizar explosiones sobre edificios de varias plantas, y se simulan dos escenarios con cargas explosivas para un edificio completo, con un coste computacional moderado. The frequency of explosions on buildings whether they are intended or accidental is small, but they can have catastrophic effects. Being able to predict in a accurate enough manner the consequences of these dynamic actions on civil buildings, among which frame-type reinforced concrete buildings are a frequent typology is desirable. In this doctoral thesis different practical options for the modeling and computer assisted numerical calculation of reinforced concrete structures submitted to explosions are explored. Numerical finite elements models with explicit time-based integration are employed, demonstrating their effective capacity in the simulation of the occurring fast dynamic and highly nonlinear physical and structural phenomena, allowing to predict the damage caused by the explosion itself as well as by the possible progressive collapse of the structure. The work has been carried out with the commercial finite elements code LS-DYNA (Hallquist, 2006), developing several types of calculation model classified in two main types: 1) Models based in continuum finite elements in which the continuous medium is discretized directly by means of nodal displacement degrees of freedom; 2) Models based on structural finite elements, with beams and shells, including kinematic hypothesis for linear and superficial elements. These models are developed and discussed at different levels: 1) material behaviour, 2) response of structural elements such as columns, beams and slabs, and 3) response of complete buildings or significative parts of them. Very detailed 3D continuum finite element models are developed, modeling mass concrete and reinforcement steel in a segregated manner. Concrete is represented with a constitutive concrete model CSCM (Murray et al., 2007), that has an inelastic behaviour, with different tension and compression response, hardening, cracking and compression damage and failure. The steel is represented with an elastic-plastic bilinear model with failure. The actual geometry of the concrete is modeled with 3D continuum finite elements and every and each of the reinforcing bars with beam-type finite elements, with their exact position in the concrete mass. The mesh of the model is generated by the superposition of the concrete continuum elements and the beam-type elements of the segregated reinforcement, which are made to follow the deformation of the solid in each point by means of a penalty algorithm, reproducing the behaviour of reinforced concrete. In this work these models will be called continuum FE models as a simplification. With these continuum FE models the response of construction elements (columns, slabs and frames) under explosive actions are analysed. They have also been compared with experimental results of tests on beams and slabs with various explosive charges, verifying an acceptable coincidence and allowing a calibration of the calculation parameters. These detailed models are however not advised for the analysis of complete buildings, as the high number of finite elements necessary raises its computational cost, making them unreliable for the current calculation resources. In addition to that, structural finite elements (beams and shells) models are developed, which, while having a reduced computational cost, are able to reproduce the global behaviour of the structure with a similar accuracy. Mass concrete and reinforcing steel are also modeled segregated. Concrete is represented with the concrete constitutive model EC2 (Hallquist et al., 2013), which also presents an inelastic behaviour, with a different tension and compression response, hardening, compression and cracking damage and failure, and is used in shell-type finite elements. Steel is represented once again with an elastic-plastic bilineal with failure constitutive model, using beam-type finite elements. An equivalent geometry of the concrete and the steel is modeled, considering the relative position of the steel inside the concrete mass. The meshes of both sets of elements are bound with common nodes, therefore producing a joint response. These models will be called structural FE models as a simplification. With these structural FE models the same construction elements as with the continuum FE models are simulated, and by comparing their response under explosive actions a calibration of the former is carried out, resulting in a similar response with a reduced computational cost. It is verified that both the continuum FE models and the structural FE models are also accurate for the analysis of the phenomenon of progressive collapse of a structure, and that they can be employed for the simultaneous study of an explosion damage and the resulting collapse. Both models are validated with an experimental full-scale test in which a six column, two floors module collapses after the removal of one of its columns. The computational cost of the continuum FE model for the simulation of this test is a lot higher than that of the structural FE model, making it non-viable for its application to full buildings, while the structural FE model presents a global response accurate enough with an admissible cost. Finally, structural FE models are used to analyze explosions on several story buildings, and two scenarios are simulated with explosive charges for a full building, with a moderate computational cost.

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.

Curing, defects and mechanical performance of fiber-reinforced composites

Tradicionalmente, la fabricación de materiales compuestos de altas prestaciones se lleva a cabo en autoclave mediante la consolidación de preimpregnados a través de la aplicación simultánea de altas presiones y temperatura. Las elevadas presiones empleadas en autoclave reducen la porosidad de los componentes garantizando unas buenas propiedades mecánicas. Sin embargo, este sistema de fabricación conlleva tiempos de producción largos y grandes inversiones en equipamiento lo que restringe su aplicación a otros sectores alejados del sector aeronáutico. Este hecho ha generado una creciente demanda de sistemas de fabricación alternativos al autoclave. Aunque estos sistemas son capaces de reducir los tiempos de producción y el gasto energético, por lo general, dan lugar a materiales con menores prestaciones mecánicas debido a que se reduce la compactación del material al aplicar presiones mas bajas y, por tanto, la fracción volumétrica de fibras, y disminuye el control de la porosidad durante el proceso. Los modelos numéricos existentes permiten conocer los fundamentos de los mecanismos de crecimiento de poros durante la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica mediante autoclave. Dichos modelos analizan el comportamiento de pequeños poros esféricos embebidos en una resina viscosa. Su validez no ha sido probada, sin embargo, para la morfología típica observada en materiales compuestos fabricados fuera de autoclave, consistente en poros cilíndricos y alargados embebidos en resina y rodeados de fibras continuas. Por otro lado, aunque existe una clara evidencia experimental del efecto pernicioso de la porosidad en las prestaciones mecánicas de los materiales compuestos, no existe información detallada sobre la influencia de las condiciones de procesado en la forma, fracción volumétrica y distribución espacial de los poros en los materiales compuestos. Las técnicas de análisis convencionales para la caracterización microestructural de los materiales compuestos proporcionan información en dos dimensiones (2D) (microscopía óptica y electrónica, radiografía de rayos X, ultrasonidos, emisión acústica) y sólo algunas son adecuadas para el análisis de la porosidad. En esta tesis, se ha analizado el efecto de ciclo de curado en el desarrollo de los poros durante la consolidación de preimpregnados Hexply AS4/8552 a bajas presiones mediante moldeo por compresión, en paneles unidireccionales y multiaxiales utilizando tres ciclos de curado diferentes. Dichos ciclos fueron cuidadosamente diseñados de acuerdo a la caracterización térmica y reológica de los preimpregnados. La fracción volumétrica de poros, su forma y distribución espacial se analizaron en detalle mediante tomografía de rayos X. Esta técnica no destructiva ha demostrado su capacidad para analizar la microestructura de materiales compuestos. Se observó, que la porosidad depende en gran medida de la evolución de la viscosidad dinámica a lo largo del ciclo y que la mayoría de la porosidad inicial procedía del aire atrapado durante el apilamiento de las láminas de preimpregnado. En el caso de los laminados multiaxiales, la porosidad también se vio afectada por la secuencia de apilamiento. En general, los poros tenían forma cilíndrica y se estaban orientados en la dirección de las fibras. Además, la proyección de la población de poros a lo largo de la dirección de la fibra reveló la existencia de una estructura celular de un diámetro aproximado de 1 mm. Las paredes de las celdas correspondían con regiones con mayor densidad de fibra mientras que los poros se concentraban en el interior de las celdas. Esta distribución de la porosidad es el resultado de una consolidación no homogenea. Toda esta información es crítica a la hora de optimizar las condiciones de procesado y proporcionar datos de partida para desarrollar herramientas de simulación de los procesos de fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Adicionalmente, se determinaron ciertas propiedades mecánicas dependientes de la matriz termoestable con objeto de establecer la relación entre condiciones de procesado y las prestaciones mecánicas. En el caso de los laminados unidireccionales, la resistencia interlaminar depende de la porosidad para fracciones volumétricas de poros superiores 1%. Las mismas tendencias se observaron en el caso de GIIc mientras GIc no se vio afectada por la porosidad. En el caso de los laminados multiaxiales se evaluó la influencia de la porosidad en la resistencia a compresión, la resistencia a impacto a baja velocidad y la resistencia a copresión después de impacto. La resistencia a compresión se redujo con el contenido en poros, pero éste no influyó significativamente en la resistencia a compresión despues de impacto ya que quedó enmascarada por otros factores como la secuencia de apilamiento o la magnitud del daño generado tras el impacto. Finalmente, el efecto de las condiciones de fabricación en el proceso de compactación mediante moldeo por compresión en laminados unidireccionales fue simulado mediante el método de los elementos finitos en una primera aproximación para simular la fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave. Los parámetros del modelo se obtuvieron mediante experimentos térmicos y reológicos del preimpregnado Hexply AS4/8552. Los resultados obtenidos en la predicción de la reducción de espesor durante el proceso de consolidación concordaron razonablemente con los resultados experimentales. Manufacturing of high performance polymer-matrix composites is normally carried out by means of autoclave using prepreg tapes stacked and consolidated under the simultaneous application of pressure and temperature. High autoclave pressures reduce the porosity in the laminate and ensure excellent mechanical properties. However, this manufacturing route is expensive in terms of capital investment and processing time, hindering its application in many industrial sectors. This fact has driven the demand of alternative out-of-autoclave processing routes. These techniques claim to produce composite parts faster and at lower cost but the mechanical performance is also reduced due to the lower fiber content and to the higher porosity. Corrient numerical models are able to simulate the mechanisms of void growth in polymer-matrix composites processed in autoclave. However these models are restricted to small spherical voids surrounded by a viscous resin. Their validity is not proved for long cylindrical voids in a viscous matrix surrounded by aligned fibers, the standard morphology observed in out-of-autoclave composites. In addition, there is an experimental evidence of the detrimental effect of voids on the mechanical performance of composites but, there is detailed information regarding the influence of curing conditions on the actual volume fraction, shape and spatial distribution of voids within the laminate. The standard techniques of microstructural characterization of composites (optical or electron microscopy, X-ray radiography, ultrasonics) provide information in two dimensions and are not always suitable to determine the porosity or void population. Moreover, they can not provide 3D information. The effect of curing cycle on the development of voids during consolidation of AS4/8552 prepregs at low pressure by compression molding was studied in unidirectional and multiaxial panels. They were manufactured using three different curing cycles carefully designed following the rheological and thermal analysis of the raw prepregs. The void volume fraction, shape and spatial distribution were analyzed in detail by means of X-ray computed microtomography, which has demonstrated its potential for analyzing the microstructural features of composites. It was demonstrated that the final void volume fraction depended on the evolution of the dynamic viscosity throughout the cycle. Most of the initial voids were the result of air entrapment and wrinkles created during lay-up. Differences in the final void volume fraction depended on the processing conditions for unidirectional and multiaxial panels. Voids were rod-like shaped and were oriented parallel to the fibers and concentrated in channels along the fiber orientation. X-ray computer tomography analysis of voids along the fiber direction showed a cellular structure with an approximate cell diameter of 1 mm. The cell walls were fiber-rich regions and porosity was localized at the center of the cells. This porosity distribution within the laminate was the result of inhomogeneous consolidation. This information is critical to optimize processing parameters and to provide inputs for virtual testing and virtual processing tools. In addition, the matrix-controlled mechanical properties of the panels were measured in order to establish the relationship between processing conditions and mechanical performance. The interlaminar shear strength (ILSS) and the interlaminar toughness (GIc and GIIc) were selected to evaluate the effect of porosity on the mechanical performance of unidirectional panels. The ILSS was strongly affected by the porosity when the void contents was higher than 1%. The same trends were observed in the case of GIIc while GIc was insensitive to the void volume fraction. Additionally, the mechanical performance of multiaxial panels in compression, low velocity impact and compression after impact (CAI) was measured to address the effect of processing conditions. The compressive strength decreased with porosity and ply-clustering. However, the porosity did not influence the impact resistance and the coompression after impact strength because the effect of porosity was masked by other factors as the damage due to impact or the laminate lay-up. Finally, the effect of the processing conditions on the compaction behavior of unidirectional AS4/8552 panels manufactured by compression moulding was simulated using the finite element method, as a first approximation to more complex and accurate models for out-of autoclave curing and consolidation of composite laminates. The model parameters were obtained from rheological and thermo-mechanical experiments carried out in raw prepreg samples. The predictions of the thickness change during consolidation were in reasonable agreement with the experimental results.