Obtención de la función de transferencia por interpolación en el dominio de la frecuencia

El método de la respuesta en frecuencia basado en el análisis de Fourier, se emplea para obtener la respuesta permanente de una estructura sometida a una fuerza de excitación no armónica o no periódica. La principal desventaja frente a otros métodos es la necesidad de obtener el espectro de respuesta para los infinitos puntos que forman el dominio de frecuencias. En este artículo se presenta un modelo de interpolación que permite reducir a unos pocos el número de puntos en que se resuelve la ecuación dinámica. Tales puntos son las frecuencias propias de la estructura. El espectro completo se obtiene por interpolación. En este sentido el tiempo de cálculo consumido se reduce ostensiblemente y el método gana en eficiencia. La validez del modelo se refleja en varios ejemplos de pórticos planos con amortiguamiento viscoso.

Estudio teórico-práctico de la célula de combustible. Caracterización eléctrica y mejoras en la gestión del agua a partir de nuevos materiales.

Uno de los principales retos de la sociedad actual es la evolución de sectores como el energético y el de la automoción a un modelo sostenible, responsable con el medio ambiente y con la salud de los ciudadanos. Una de las posibles alternativas, es la célula de combustible de hidrógeno, que transforma la energía química del combustible (hidrógeno) en corriente continua de forma limpia y eficiente. De entre todos los tipos de célula, gana especial relevancia la célula de membrana polimérica (PEM), que por sus características de peso, temperatura de trabajo y simplicidad; se presenta como una gran alternativa para el sector de la automoción entre otros. Por ello, el objetivo de este trabajo es ahondar en el conocimiento de la célula de combustible PEM. Se estudiarán los fundamentos teóricos que permitan comprender su funcionamiento, el papel de cada uno de los elementos de la célula y cómo varían sus características el funcionamiento general de la misma. También se estudiará la caracterización eléctrica, por su papel crucial en la evaluación del desempeño de la célula y para la comparación de modificaciones introducidas en ella. Además, se realizará una aplicación práctica en colaboración con los proyectos de fin de máster y doctorado de otros estudiantes del Politécnico de Milán, para implementar las técnicas aprendidas de caracterización eléctrica en una célula trabajando con diferentes tipos de láminas de difusión gaseosa (GDL y GDM) preparadas por estudiantes. Los resultados de la caracterización, permitirán analizar las virtudes de dos modificaciones en la composición clásica de la célula, con el fin de mejorar la gestión del agua que se produce en la zona catódica durante la reacción, disminuyendo los problemas de difusión a altas densidades de corriente y la consiguiente pérdida de potencial en la célula. Las dos modificaciones son: la inclusión de una lámina de difusión microporosa (MPL) a la lámina macroporosa habitual (GDL), y el uso de diversos polímeros con mejores propiedades hidrófobas en el tratamiento de dichas láminas de difusión. La célula de combustible es un sistema de conversión de energía electroquímico, en el que se trasforma de forma directa, energía química en energía eléctrica de corriente continua. En el catalizador de platino del ánodo se produce la descomposición de los átomos de hidrógeno. Los protones resultantes viajarán a través de la membrana de conducción protónica (que hace las veces de electrolito y supone el alma de la célula PEM) hasta el cátodo. Los electrones, en cambio, alcanzarán el cátodo a través de un circuito externo produciendo trabajo. Una vez ambas especies se encuentran en el cátodo, y junto con el oxígeno que sirve como oxidante, se completa la reacción, produciéndose agua. El estudio termodinámico de la reacción que se produce en la célula nos permite calcular el trabajo eléctrico teórico producido por el movimiento de cargas a través del circuito externo, y con él, una expresión del potencial teórico que presentará la célula, que variará con la temperatura y la presión; Para una temperatura de 25°C, este potencial teórico es de 1.23 V, sin embargo, el potencial de la célula en funcionamiento nunca presenta este valor. El alejamiento del comportamiento teórico se debe, principalmente, a tres tipos de pérdidas bien diferenciadas:  Pérdidas de activación: El potencial teórico representa la tensión de equilibrio, para la que no se produce un intercambio neto de corriente. Por tanto, la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo debe alejarse del valor teórico para obtener una corriente neta a través del circuito externo. Esta diferencia con el potencial teórico se denomina polarización de activación, y conlleva una pérdida de tensión en la célula. Así pues estas pérdidas tienen su origen en la cinética de la reacción electroquímica.  Pérdidas óhmicas: Es una suma de las resistencias eléctricas en los elementos conductores, la resistencia en la membrana electrolítica a la conducción iónica y las resistencias de contacto.  Pérdidas por concentración: Estas pérdidas se producen cuando los gases reactivos en el área activa son consumidos en un tiempo menor del necesario para ser repuestos. Este fenómeno es crítico a altas densidades de corriente, cuando los gases reactivos son consumidos con gran velocidad, por lo que el descenso de concentración de reactivos en los electrodos puede provocar una caída súbita de la tensión de la célula. La densidad de corriente para la cual se produce esta caída de potencial en unas condiciones determinadas se denomina densidad límite de corriente. Así pues, estas pérdidas tienen su origen en los límites de difusión de las especies reactivas a través de la célula. Además de la membrana electrolítica y el catalizador, en la célula de combustible podemos encontrar como principales componentes los platos bipolares, encargados de conectar la célula eléctricamente con el exterior y de introducir los gases reactivos a través de sus conductos; y las láminas difusivas, que conectan eléctricamente el catalizador con los platos bipolares y sirven para distribuir los gases reactivos de forma que lleguen a todo el área activa, y para evacuar el exceso de agua que se acumula en el área activa.La lámina difusiva, más conocida como GDL, será el argumento principal de nuestro estudio. Está conformada por un tejido de fibra de carbono macroporosa, que asegure el contacto eléctrico entre el catalizador y el plato bipolar, y es tratada con polímeros para proporcionarle propiedades hidrófobas que le ayuden en la evacuación de agua. La evacuación del agua es tan importante, especialmente en el cátodo, porque de lo contrario, la cantidad de agua generada por la reacción electroquímica, sumada a la humedad que portan los gases, puede provocar inundaciones en la zona activa del electrodo. Debido a las inundaciones, el agua obstruye los poros del GDL, dificultando la difusión de especies gaseosas y aumentando las pérdidas por concentración. Por otra parte, si demasiada agua se evacúa del electrodo, se puede producir un aumento de las pérdidas óhmicas, ya que la conductividad protónica de la membrana polimérica, es directamente proporcional a su nivel de humidificación. Con el fin de mejorar la gestión del agua de la célula de combustible, se ha añadido una capa microporosa denominada MPL al lado activo del GDL. Esta capa, constituida por una mezcla de negro de carbón con el polímero hidrófobo como aglutinante, otorga al GDL un mejor acabado superficial que reduce la resistencia de contacto con el electrodo, además la reducción del tamaño de las gotas de agua al pasar por el MPL mejora la difusión gaseosa por la disminución de obstrucciones en el GDL. Es importante tener cuidado en los tratamientos de hidrofobización de estos dos elementos, ya que, cantidades excesivas de polímero hidrófobo podrían reducir demasiado el tamaño de los poros, además de aumentar las pérdidas resistivas por su marcado carácter dieléctrico. Para el correcto análisis del funcionamiento de una célula de combustible, la herramienta fundamental es su caracterización eléctrica a partir de la curva de polarización. Esta curva representa la evolución del potencial de la célula respecto de la densidad de corriente, y su forma viene determinada principalmente por la contribución de las tres pérdidas mencionadas anteriormente. Junto con la curva de polarización, en ocasiones se presenta la curva de densidad de potencia, que se obtiene a partir de la misma. De forma complementaria a la curva de polarización, se puede realizar el estudio del circuito equivalente de la célula de combustible. Este consiste en un circuito eléctrico sencillo, que simula las caídas de potencial en la célula a través de elementos como resistencias y capacitancias. Estos elementos representas pérdidas y limitaciones en los procesos químicos y físicos en la célula. Para la obtención de este circuito equivalente, se realiza una espectroscopia de impedancia electroquímica (en adelante EIS), que consiste en la identificación de los diferentes elementos a partir de los espectros de impedancia, resultantes de introducir señales de corriente alternas sinusoidales de frecuencia variable en la célula y observar la respuesta en la tensión. En la siguiente imagen se puede observar un ejemplo de la identificación de los parámetros del circuito equivalente en un espectro de impedancia. Al final del trabajo, se han realizado dos aplicaciones prácticas para comprobar la influencia de las características hidrófobas y morfológicas de los medios difusores en la gestión del agua en el cátodo y, por tanto, en el resultado eléctrico de la célula; y como aplicación práctica de las técnicas de construcción y análisis de las curvas de polarización y potencia y de la espectroscopia de impedancia electroquímica. El primer estudio práctico ha consistido en comprobar los beneficios de la inclusión de un MPL al GDL. Para ello se han caracterizado células funcionando con GDL y GDM (GDL+MPL) tratados con dos tipos diferentes de polímeros, PTFE y PFPE. Además se han realizado las pruebas para diferentes condiciones de funcionamiento, a saber, temperaturas de 60 y 80°C y niveles de humidificación relativa de los gases reactivos de 80%-60% y 80%- 100% (A-C). Se ha comprobado con las curvas de polarización y potencia, cómo la inclusión de un MPL en el lado activo del GDL reporta una mejora del funcionamiento de trabajo en todas las condiciones estudiadas. Esta mejora se hace más patente para altas densidades de corriente, cuando la gestión del agua resulta más crítica, y a bajas temperaturas ya que un menor porcentaje del agua producida se encuentra en estado de vapor, produciéndose inundaciones con mayor facilidad. El segundo estudio realizado trata de la influencia del agente hidrofobizante utilizado en los GDMs. Se pretende comprobar si algún otro polímero de los estudiados, mejora las prestaciones del comúnmente utilizado PTFE. Para ello se han caracterizado células trabajando en diferentes condiciones de trabajo (análogas a las del primer estudio) con GDMs tratados con PTFE, PFPE, FEP y PFA. Tras el análisis de las curvas de polarización y potencia, se observa un gran comportamiento del FEP para todas las condiciones de trabajo, aumentando el potencial de la célula para cada densidad de corriente respecto al PTFE y retrasando la densidad de corriente límite. El PFPE también demuestra un gran aumento del potencial y la densidad de potencia de la célula, aunque presenta mayores problemas de difusión a altas densidades de corriente. Los resultados del PFA evidencian sus problemas en la gestión del agua a altas densidades de corriente, especialmente para altas temperaturas. El análisis de los espectros de impedancia obtenidos con la EIS confirma los resultados de las curvas de polarización y evidencian que la mejor alternativa al PTFE para el tratamiento del GDM es el FEP, que por sus mejores características hidrófobas reduce las pérdidas por concentración con una mejor gestión del agua en el cátodo.

Peter Celsing en el complejo de Sergels Torg : la Casa de la Cultura de Estocolmo

La tesis ≪Peter Celsing en el complejo de Sergels torg. La Casa de la Cultura de Estocolmo ≫ intenta profundizar en la obra de este autor, en sus conexiones con otras arquitecturas y arquitectos de su entorno físico y temporal, que constituye uno de los episodios más interesantes y menos conocidos de la arquitectura nórdica. El objeto particular de estudio es la Casa de la Cultura dentro del complejo de Sergels torg como pieza clave que marca un antes y un después en su trayectoria. Se observa un proceso de desarrollo constante, que se fue gestando paulatinamente, y que en este ejercicio alcanza su punto álgido. Además, los proyectos que coexistieron con su evolución, y los posteriores, filtraron las inquietudes latentes del mayor reto al que se había enfrentado, dando pie a resultados novedosos en su producción. La investigación se estructura en tres capítulos. El primero, ≪Aprendizaje≫, examina sus experiencias de juventud, viajes de estudios y lecciones de sus maestros; así como sus inicios profesionales en el proyecto de restauración de la Catedral de Uppsala y en sus iglesias junto a Lewerentz. En ese periodo prima lo formal y escultórico, el hormigón y el ladrillo artesanal, y como referencia Le Corbusier y la capilla de Ronchamp. El segundo capítulo, ≪Obra≫, estudia el concurso que da origen a la Casa de la Cultura, su proceso de gestación y diseño, y las modificaciones posteriores durante su construcción. De repente emergen las cualidades espaciales y los sistemas estructurales aprendidos de Mies en el Crown Hall de Chicago, la gran escala de la metrópoli y las soluciones industriales ligeras. El tercer capítulo, ≪Madurez≫, sirve de cierre, y revisa su trayectoria posterior con relación a la obra referida. Tras este edificio, el diseño de las propuestas coetáneas se vuelve más abstracto y sencillo, gana en autonomía, rotundidad, atrevimiento y carácter. Las conclusiones verifican el cambio de actitud y de paradigmas. Hay elementos como las distorsiones, los contrastes y las manipulaciones, aprendidas en sus primeros años de formación y junto a Lewerentz, si bien es cierto que ahora han aumentado proporcionalmente a la escala de sus intervenciones e incluso se observan en el detalle, como sucede en el encuentro de los materiales y su montaje. Su visión, su punto de vista se eleva, y la pieza adopta una volumetría compacta y unitaria. Cada nuevo trabajo sintetiza un enfoque más universal y abierto en conceptos y metodología operativa. Sus preocupaciones nos hablan de un arquitecto consciente de su tiempo y cuya arquitectura final mira ya al siglo XXI. ABSTRACT The thesis ≪Peter Celsing in the complex of Sergels torg. The House of Culture in Stockholm ≫ delves deeper into the work of this author, in his connections with other architectures and architects of his physical and temporal surroundings, which is one of the most interesting and least known episodes of Nordic architecture. The particular focus of this study is how the House of Culture, a key point within the complex of Sergels torg, marks a before and after in his career. There is an observable process of constant development, which was growing steadily, and reaches its critical point in this exercise. In addition, the projects that coexisted during his evolution and those that came before, reveal latent concerns leading up to the biggest challenge he would face, ultimately giving way to new developments in his work. The study is divided into three chapters. The first, ≪Learning≫, examines his experiences as a youth, academic trips and lessons from his masters; as well as his professional beginnings alongside Lewerentz in the restoration project of Uppsala Cathedral and his churches. In that period the formal and sculptural were given preference, also concrete and handmade brick. And as reference, there is Le Corbusier and the chapel at Ronchamp. The second chapter, ≪Work≫, studies the competition that gives rise to the House of Culture, the gestation process and design and subsequent amendments during its construction. Suddenly the spatial qualities and structural systems learned from Mies in Crown Hall of Chicago emerge, the large scale of the metropolis and light industrial solutions. The third chapter, ≪Maturity≫, serves as the closure and examines his subsequent career in relation to said work. After this building, the design of coetaneous proposals become more abstract and simple, gaining autonomy, firmness, boldness and character. The conclusions verify the change in attitudes and paradigms. There are elements such as distortions, contrasts and manipulations, learned in his early years of training and with Lewerentz, that have now undeniably increased in proportion to the scale of their involvement and can even be observed in detail, as so happens in the joining of materials and assembly. His vision, his point of view is heightened, and the piece adopts a single and compact volume. Each new work synthesizes a more universal and open focus in concepts and operational methodology. His concerns speak of an architect aware of his time and whose final architecture now looks toward the 21st century.

Técnicas de sostenibilidad mediante la utilización de residuos vítreos para la caracterización de hormigones desactivados

En la actualidad caminar hacia el residuo cero es la máxima de toda política medioambiental. Cada año se producen millones de toneladas de residuos solamente en la Unión Europea, entre los que se encuentran los residuos de vidrio y esta cifra no deja de aumentar. El almacenamiento de estos residuos no es una solución sostenible y su destrucción no resulta satisfactoria debido a que los desechos que se producen como derivados de dichos residuos son muy concentrados y contaminantes. La mejor solución sigue consistiendo en minimizar la producción de residuos y en reintroducirlos en el ciclo de producción mediante el reciclado de sus componentes cuando existan soluciones sostenibles desde los puntos de vista ecológico y económico. El objetivo de esta tesis doctoral es analizar la posibilidad de utilización de los desechos últimos de polvo de vidrio provenientes de la industria vidriera y cerámica, que se destinan a vertedero controlado, como conglomerante en el campo de la ingeniería civil. Se han realizado estudios físicos, mecánicos y químicos para la caracterización y sostenibilidad de hormigones desactivados cuyo conglomerante sea los residuos últimos de polvo de vidrio. Dichos estudios han permitido evidenciar los factores que influyen en la reactividad de estos materiales. Después de la molienda con diferentes granulometrías de los residuos de polvo de vidrio se ha estudiado su papel en el crecimiento de las resistencias mecánicas a largo plazo de los morteros y los hormigones, dando como resultado que dichas resistencias son mayores cuanto más finos son los polvos de vidrio utilizados. El fraguado que proporciona el vidrio se debe a la formación de geles tipo C-S-H, ricos en Si, Ca y Na (los 3 principales elementos constitutivos del vidrio). La disolución de estos elementos y sus asociaciones después de su precipitación es lo que provoca la aparición de estos geles. El cierre progresivo de la estructura de estos productos, que se traduce en una colmatación de los poros, nos permite explicar el crecimiento de las resistencias mecánicas. La utilización de estos productos de desecho del vidrio como conglomerante conlleva beneficios medioambientales, como son, la minimización de los residuos en vertedero y uso en morteros y hormigones no provocan un impacto perjudicial sobre la naturaleza, ya que solamente el Na es liberado en cantidad apreciable, lo que pone en evidencia su sostenibilidad medioambiental. Una vez caracterizados estos materiales se analizan sus distintas aplicaciones, sobre todo su uso como componente mayoritario de conglomerante (entre un 70 y un 80%) destinado a la fabricación de hormigones desactivados. Los áridos de estos hormigones se hacen visible de dos formas: la primera desactivando el fraguado superficial extendiendo un producto desactivante que después se elimina con un chorro de agua, la segunda mediante un barrido enérgico con una escoba de pelo duro. La utilización de estos desechos de vidrio abre, igualmente, perspectivas interesantes en el sector de los firmes de carreteras, de los morteros o del tratamiento de suelos finos que para concretar implicaría ensayos complementarios en cada uno de estos sectores que pueden ser objeto de la ejecución de otras tesis doctorales. Lo mismo que se abre el estudio sobre el origen de las propiedades conglomerantes del vidrio, de los escalones de concentración en Si y Na tras la disolución de los polvos de vidrio y de la desecación del interior de las probetas de morteros. Dentro de la tesis, se ha desarrollado un modelo matemático basados en A.C.(Autómatas Celulares) para la predicción del comportamiento mecánico a compresión de estos morteros fabricados con polvo de vidrio, donde, como ha quedado establecido, lo más importante en la formación de la microestructura del cemento es su proceso de hidratación, proceso mediante el cual, la pasta va tomando consistencia a medida que transcurre el tiempo y se van combinando las diferentes especies de reacción para formar una estructura que gana en complejidad y resistencia, estando en correlación los obtenidos en el modelo con los obtenidos en los trabajos de laboratorio.