Estudio teórico-experimental para la mejora de la resistencia estructural de autocares basado en el diseño de uniones y asientos

La presente tesis analiza la mejora de la resistencia estructural ante vuelco de autocares enfocando dos vías de actuación: análisis y propuestas de requisitos reglamentarios a nivel europeo y la generación de herramientas que ayuden al diseño y a la verificación de estos requisitos. Los requisitos reglamentarios de resistencia estructural a vuelco contemplan la superestructura de los vehículos pero no para los asientos y sistemas de retención. La influencia de los pasajeros retenidos es superior a la incluida en reglamentación (Reg. 66.01) debiendo considerarse unida al vehículo un porcentaje de la masa de los pasajeros del 91% para cinturón de tres puntos y del 52% para cinturón subabdominal frente al 50% reglamentario para todos los casos. Se ha determinado la cinemática y dinámica del vuelco normativo en sus diferentes fases, formulando las energías en las fases iniciales (hasta el impacto contra el suelo) y determinando la fase final de deformación a través del análisis secuencial de ensayos de módulos reales. Se han determinado los esfuerzos para los asientos que se dividen en dos fases diferenciadas temporalmente: una primera debida a la deformación estructural y una segunda debida al esfuerzo del pasajero retenido que se produce en sentido opuesto (con una deceleración del pasajero en torno a 3.3 g). Se ha caracterizado a través de ensayos cuasi.estáticos el comportamiento de perfiles a flexión y de las uniones estructurales de las principales zonas del vehículo (piso, ventana y techo) verificándose la validez del comportamiento plástico teórico Kecman.García para perfiles de hasta 4 mm de espesor y caracterizando la resistencia y rigidez en la zona elástica de las uniones en función del tipo de refuerzo, materiales y perfiles (análisis de más de 180 probetas). Se ha definido un método de ensayo cuasi.estático para asientos ante esfuerzos de vuelco, ensayándose 19 butacas y determinándose que son resistentes (salvo las uniones a vehículo con pinzas), que son capaces de absorber hasta más de un 17% de la energía absorbida, aunque algunos necesitan optimización para llegar a contribuir en el mecanismo de deformación estructural. Se han generado modelos simplificados para introducir en los modelos barra.rótula plástica: un modelo combinado unión+rótula plástica (que incluye la zona de rigidez determinada en función del tipo de unión) para la superestructura y un modelo simplificado de muelles no.lineales para los asientos. Igualmente se ha generado la metodología de diseño a través de ensayos virtuales con modelos de detalle de elementos finitos tanto de las uniones como de los asientos. Se ha propuesto una metodología de diseño basada en obtener el “mecanismo óptimo de deformación estructural” (elevando la zona de deformación lateral a nivel de ventana y en pilar o en costilla en techo). Para ello se abren dos vías: diseño de la superestructura (selección de perfiles y generación de uniones resistentes) o combinación con asientos (que en lugar de solo resistir las cargas pueden llegar a modificar el mecanismo de deformación). Se ha propuesto una metodología de verificación alternativa al vuelco de vehículo completo que contempla el cálculo cuasi.estático con modelos simplificados barra.rótula plástica más el ensayo de una sección representativa con asientos y utillajes antropomórficos retenidos que permite validar el diseño de las uniones, determinar el porcentaje de energía que debe absorberse por deformación estructural (factor C) y verificar el propio asiento como sistema de retención. ABSTRACT This research analyzes the improvement of the structural strength of buses and coaches under rollover from two perspectives: regulatory requirements at European level and generation of tools that will help to the design and to the verification of requirements. European Regulations about rollover structural strength includes requirements for the superstructure of the vehicles but not about seats, anchorages and restraint systems. The influence of the retained passengers is higher than the one included currently in the Regulations (Reg. 66.01), being needed to consider a 91% of the passenger mass as rigidly joint to the vehicle (for 3 points’ belt, a 52% for 2 points’ belt) instead of the 50% included in the Regulation. Kinematic and dynamic of the normative rollover has been determined from testing of different sections, formulating the energies of the first phases (up to the first impact with the ground) and determining the last deformation phase through sequential analysis of movements and deformations. The efforts due to rollover over the seats have been established, being divided in two different temporal phases: a first one due to the structural deformation of the vehicle and a second one due to the effort of the restrained passenger being this second one in opposite sense (with a passenger deceleration around 3.3 g). From quasi.static testing, the behavior of the structural tubes under flexural loads, including the principal joints in the vehicle (floor, window and roof), the validity of the theoretical plastic behavior according Kecman.García theories have been verified up to 4 mm of thickness. Strength of the joints as well as the stiffness of the elastic zone has been determined in function of main parameters: type of reinforcement, materials and section of the tubes (more than 180 test specimens). It has been defined a quasi.static testing methodology to characterize the seats and restrain system behavior under rollover, testing 19 double seats and concluding that they are resistant (excepting clamping joints), that they can absorb more than a 17 of the absorbed energy, and that some of them need optimization to contribute in the structural deformation mechanism. It has been generated simplified MEF models, to analyze in a beam.plastic hinge model: a combined model joint+plastic hinge (including the stiffness depending on the type of joint) for the superstructure and a simplified model with non.lineal springs to represent the seats. It has been detailed methodologies for detailed design of joints and seats from virtual testing (MEF models). A design methodology based in the “optimized structural deformation mechanism” (increasing the height of deformation of the lateral up to window level) is proposed. Two possibilities are analyzed: design of the superstructure based on the selection of profiles and design of strength joints (were seats only resist the efforts and contribute in the energy absorption) or combination structure.seats, were seats contributes in the deformation mechanism. An alternative methodology to the rollover of a vehicle that includes the quasi.static calculation with simplified models “beam.joint+plastic hinge” plus the testing of a representative section of the vehicle including seats and anthropomorphic ballast restrained by the safety belts is presented. The test of the section allows validate the design of the joints, determine the percentage of energy to be absorbed by structural deformation (factor C) and verify the seat as a retention system.

Bending reinforcement of timber beams with composite carbon fiber and basalt fiber materials

En el presente trabajo se lleva a cabo un estudio basado en datos obtenidos experimentalmente mediante el ensayo a flexión de vigas de madera de pino silvestre reforzadas con materiales compuestos. Las fibras que componen los tejidos utilizados para la ejecución de los refuerzos son de basalto y de carbono. En el caso de los compuestos de fibra de basalto se aplican en distintos gramajes, y los de carbono en tejido unidireccional y bidireccional. El material compuesto se realizó in situ, simultáneamente a la ejecución del refuerzo. Se aplicaron en una y en dos capas, según el caso, y la forma de colocación fue en ?U?, adhiriéndose al canto inferior y a las caras laterales de la viga mediante resina o mortero epoxi. Se analiza el comportamiento de las vigas según las variables de refuerzo aplicadas y se comparan con los resultados de vigas ensayadas sin reforzar. Con este trabajo queda demostrado el buen funcionamiento del FRP de fibra de basalto aplicado en el refuerzo de vigas de madera y de los tejidos de carbono bidireccionales con respecto a los unidireccionales.

Discontinuous solutions and boundary value problems for non-linearly elastic fibre-reinforced materials

En este trabajo se han analizado varios problemas en el contexto de la elasticidad no lineal basándose en modelos constitutivos representativos. En particular, se han analizado problemas relacionados con el fenómeno de perdida de estabilidad asociada con condiciones de contorno en el caso de material reforzados con fibras. Cada problema se ha formulado y se ha analizado por separado en diferentes capítulos. En primer lugar se ha mostrado el análisis del gradiente de deformación discontinuo para un material transversalmente isótropo, en particular, el modelo del material considerado consiste de una base neo-Hookeana isótropa incrustada con fibras de refuerzo direccional caracterizadas con un solo parámetro. La solución de este problema se vincula con instabilidades que dan lugar al mecanismo de fallo conocido como banda de cortante. La perdida de elipticidad de las ecuaciones diferenciales de equilibrio es una condición necesaria para que aparezca este tipo de soluciones y por tanto las inestabilidades asociadas. En segundo lugar se ha analizado una deformación combinada de extensión, inación y torsión de un tubo cilíndrico grueso donde se ha encontrado que la deformación citada anteriormente puede ser controlada solo para determinadas direcciones de las fibras refuerzo. Para entender el comportamiento elástico del tubo considerado se ha ilustrado numéricamente los resultados obtenidos para las direcciones admisibles de las fibras de refuerzo bajo la deformación considerada. En tercer lugar se ha estudiado el caso de un tubo cilíndrico grueso reforzado con dos familias de fibras sometido a cortante en la dirección azimutal para un modelo de refuerzo especial. En este problema se ha encontrado que las inestabilidades que aparecen en el material considerado están asociadas con lo que se llama soluciones múltiples de la ecuación diferencial de equilibrio. Se ha encontrado que el fenómeno de instabilidad ocurre en un estado de deformación previo al estado de deformación donde se pierde la elipticidad de la ecuación diferencial de equilibrio. También se ha demostrado que la condición de perdida de elipticidad y ^W=2 = 0 (la segunda derivada de la función de energía con respecto a la deformación) son dos condiciones necesarias para la existencia de soluciones múltiples. Finalmente, se ha analizado detalladamente en el contexto de elipticidad un problema de un tubo cilíndrico grueso sometido a una deformación combinada en las direcciones helicoidal, axial y radial para distintas geotermias de las fibras de refuerzo . In the present work four main problems have been addressed within the framework of non-linear elasticity based on representative constitutive models. Namely, problems related to the loss of stability phenomena associated with boundary value problems for fibre-reinforced materials. Each of the considered problems is formulated and analysed separately in different chapters. We first start with the analysis of discontinuous deformation gradients for a transversely isotropic material under plane deformation. In particular, the material model is an augmented neo-Hookean base with a simple unidirectional reinforcement characterised by a single parameter. The solution of this problem is related to material instabilities and it is associated with a shear band-type failure mode. The loss of ellipticity of the governing differential equations is a necessary condition for the existence of these material instabilities. The second problem involves a detailed analysis of the combined non-linear extension, inflation and torsion of a thick-walled circular cylindrical tube where it has been found that the aforementioned deformation is controllable only for certain preferred directions of transverse isotropy. Numerical results have been illustrated to understand the elastic behaviour of the tube for the admissible preferred directions under the considered deformation. The third problem deals with the analysis of a doubly fibre-reinforced thickwalled circular cylindrical tube undergoing pure azimuthal shear for a special class of the reinforcing model where multiple non-smooth solutions emerge. The associated instability phenomena are found to occur prior to the point where the nominal stress tensor changes monotonicity in a particular direction. It has been also shown that the loss of ellipticity condition that arises from the equilibrium equation and ^W=2 = 0 (the second derivative of the strain-energy function with respect to the deformation) are equivalent necessary conditions for the emergence of multiple solutions for the considered material. Finally, a detailed analysis in the basis of the loss of ellipticity of the governing differential equations for a combined helical, axial and radial elastic deformations of a fibre-reinforced circular cylindrical tube is carried out.

Study of the increase in bending stiffness on timber beams reinforced with composite materials

It is common to find structures that need to be reinforced due to deterioration or because the function of the building changes. The economic cost involved in these forms of interventions is considerable. Therefore, it is interesting to progress in the existing strengthening techniques and the study of new reinforcement systems. This paper analyses the behaviour of timber beams reinforced with carbon and basalt fiber composite materials. The main objective of this study is to test the stiffness increase produced by the carbon and basalt FRP on reinforced beams. The results show the stiffness increase produced by the different types of reinforcement.

Application of PZT and FBG impedance sensors for structural health monitoring of reinforced concrete beams strengthened with FRP composite materials

Esta Tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de métodos de identificación del daño que sean robustos y fiables, enfocados a sistemas estructurales experimentales, fundamentalmente a las estructuras de hormigón armado reforzadas externamente con bandas fibras de polímeros reforzados (FRP). El modo de fallo de este tipo de sistema estructural es crítico, pues generalmente es debido a un despegue repentino y frágil de la banda del refuerzo FRP originado en grietas intermedias causadas por la flexión. La detección de este despegue en su fase inicial es fundamental para prevenir fallos futuros, que pueden ser catastróficos. Inicialmente, se lleva a cabo una revisión del método de la Impedancia Electro-Mecánica (EMI), de cara a exponer sus capacidades para la detección de daño. Una vez la tecnología apropiada es seleccionada, lo que incluye un analizador de impedancias así como novedosos sensores PZT para monitorización inteligente, se ha diseñado un procedimiento automático basado en los registros de impedancias de distintas estructuras de laboratorio. Basándonos en el hecho de que las mediciones de impedancias son posibles gracias a una colocación adecuada de una red de sensores PZT, la estimación de la presencia de daño se realiza analizando los resultados de distintos indicadores de daño obtenidos de la literatura. Para que este proceso sea automático y que no sean necesarios conocimientos previos sobre el método EMI para realizar un experimento, se ha diseñado e implementado un Interfaz Gráfico de Usuario, transformando la medición de impedancias en un proceso fácil e intuitivo. Se evalúa entonces el daño a través de los correspondientes índices de daño, intentando estimar no sólo su severidad, sino también su localización aproximada. El desarrollo de estos experimentos en cualquier estructura genera grandes cantidades de datos que han de ser procesados, y algunas veces los índices de daño no son suficientes para una evaluación completa de la integridad de una estructura. En la mayoría de los casos se pueden encontrar patrones de daño en los datos, pero no se tiene información a priori del estado de la estructura. En este punto, se ha hecho una importante investigación en técnicas de reconocimiento de patrones particularmente en aprendizaje no supervisado, encontrando aplicaciones interesantes en el campo de la medicina. De ahí surge una idea creativa e innovadora: detectar y seguir la evolución del daño en distintas estructuras como si se tratase de un cáncer propagándose por el cuerpo humano. En ese sentido, las lecturas de impedancias se emplean como información intrínseca de la salud de la propia estructura, de forma que se pueden aplicar las mismas técnicas que las empleadas en la investigación del cáncer. En este caso, se ha aplicado un algoritmo de clasificación jerárquica dado que ilustra además la clasificación de los datos de forma gráfica, incluyendo información cualitativa y cuantitativa sobre el daño. Se ha investigado la efectividad de este procedimiento a través de tres estructuras de laboratorio, como son una viga de aluminio, una unión atornillada de aluminio y un bloque de hormigón reforzado con FRP. La primera ayuda a mostrar la efectividad del método en sencillos escenarios de daño simple y múltiple, de forma que las conclusiones extraídas se aplican sobre los otros dos, diseñados para simular condiciones de despegue en distintas estructuras. Demostrada la efectividad del método de clasificación jerárquica de lecturas de impedancias, se aplica el procedimiento sobre las estructuras de hormigón armado reforzadas con bandas de FRP objeto de esta tesis, detectando y clasificando cada estado de daño. Finalmente, y como alternativa al anterior procedimiento, se propone un método para la monitorización continua de la interfase FRP-Hormigón, a través de una red de sensores FBG permanentemente instalados en dicha interfase. De esta forma, se obtienen medidas de deformación de la interfase en condiciones de carga continua, para ser implementadas en un modelo de optimización multiobjetivo, cuya solución se haya por medio de una expansión multiobjetivo del método Particle Swarm Optimization (PSO). La fiabilidad de este último método de detección se investiga a través de sendos ejemplos tanto numéricos como experimentales. ABSTRACT This thesis aims to develop robust and reliable damage identification methods focused on experimental structural systems, in particular Reinforced Concrete (RC) structures externally strengthened with Fiber Reinforced Polymers (FRP) strips. The failure mode of this type of structural system is critical, since it is usually due to sudden and brittle debonding of the FRP reinforcement originating from intermediate flexural cracks. Detection of the debonding in its initial stage is essential thus to prevent future failure, which might be catastrophic. Initially, a revision of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method is carried out, in order to expose its capabilities for local damage detection. Once the appropriate technology is selected, which includes impedance analyzer as well as novel PZT sensors for smart monitoring, an automated procedure has been design based on the impedance signatures of several lab-scale structures. On the basis that capturing impedance measurements is possible thanks to an adequately deployed PZT sensor network, the estimation of damage presence is done by analyzing the results of different damage indices obtained from the literature. In order to make this process automatic so that it is not necessary a priori knowledge of the EMI method to carry out an experimental test, a Graphical User Interface has been designed, turning the impedance measurements into an easy and intuitive procedure. Damage is then assessed through the analysis of the corresponding damage indices, trying to estimate not only the damage severity, but also its approximate location. The development of these tests on any kind of structure generates large amounts of data to be processed, and sometimes the information provided by damage indices is not enough to achieve a complete analysis of the structural health condition. In most of the cases, some damage patterns can be found in the data, but none a priori knowledge of the health condition is given for any structure. At this point, an important research on pattern recognition techniques has been carried out, particularly on unsupervised learning techniques, finding interesting applications in the medicine field. From this investigation, a creative and innovative idea arose: to detect and track the evolution of damage in different structures, as if it were a cancer propagating through a human body. In that sense, the impedance signatures are used to give intrinsic information of the health condition of the structure, so that the same clustering algorithms applied in the cancer research can be applied to the problem addressed in this dissertation. Hierarchical clustering is then applied since it also provides a graphical display of the clustered data, including quantitative and qualitative information about damage. The performance of this approach is firstly investigated using three lab-scale structures, such as a simple aluminium beam, a bolt-jointed aluminium beam and an FRP-strengthened concrete specimen. The first one shows the performance of the method on simple single and multiple damage scenarios, so that the first conclusions can be extracted and applied to the other two experimental tests, which are designed to simulate a debonding condition on different structures. Once the performance of the impedance-based hierarchical clustering method is proven to be successful, it is then applied to the structural system studied in this dissertation, the RC structures externally strengthened with FRP strips, where the debonding failure in the interface between the FRP and the concrete is successfully detected and classified, proving thus the feasibility of this method. Finally, as an alternative to the previous approach, a continuous monitoring procedure of the FRP-Concrete interface is proposed, based on an FBGsensors Network permanently deployed within that interface. In this way, strain measurements can be obtained under controlled loading conditions, and then they are used in order to implement a multi-objective model updating method solved by a multi-objective expansion of the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The feasibility of this last proposal is investigated and successfully proven on both numerical and experimental RC beams strengthened with FRP.