Mejora del comportamiento térmico de los morteros de cal aditivados y su empleo en la rehabilitación de inmuebles = Improvement of thermal behaviour of additived lime mortars and their use in rehabilitation of buildings

La envolvente de la edificación es la responsable de equilibrar el intercambio energético entre el interior y el exterior, por lo tanto cualquier actuación encaminada a la reducción del consumo energético ha de establecer, como uno de sus objetivos prioritarios, la mejora del comportamiento de la misma. Las edificaciones anteriores a 1940 constituyen la mayor parte de las existentes en áreas rurales y centros urbanos. En ellas, la repercusión de la fachada sobre las transmitancias globales pone de manifiesto la necesidad de intervención. Sin embargo, su elevada inercia térmica y los importantes saltos térmicos característicos de gran parte de España plantean la importancia de que aquélla se efectúe por el exterior. A tal respecto, la falta de disponibilidad de espesor suficiente para implantar sistemas tipo SATE deriva en que, frecuentemente, la única solución viable sea la de aislar por el interior perdiendo con ello la capacidad de acumulación térmica del muro y con el asociado riesgo de condensaciones. La amplia tradición en el empleo de revestimientos, especialmente en base de cal, permiten que éstos sean utilizados no sólo como elemento estético o de protección de la obra de fábrica antigua sino también para la mejora del comportamiento térmico del soporte, si se aprovecha el mecanismo de transmisión térmica por radiación. Éste es el objetivo de la presente Tesis Doctoral en la que se estudia la modificación de las propiedades radiantes de los morteros de revestimiento para la mejora de la eficiencia energética de las construcciones históricas, principalmente las constituidas por muros monolíticos, aunque podría ser de aplicación a otro tipo de construcciones compuestas por diversas capas. Como punto de partida, se estudió y revisó la documentación disponible sobre las investigaciones de las tres áreas científico-tecnológicas que convergen en la Tesis Doctoral: rehabilitación, material y comportamiento térmico, a partir de lo cual se comprobó la inexistencia de estudios similares al objeto de la presente Tesis Doctoral. Complementariamente, se analizaron los revestimientos en lo concerniente a los materiales que los constituyen, la composición de las mezclas y características de cada una de las capas así como al enfoque que, desde el punto de vista térmico, se estimaba más adecuado para la obtención de los objetivos propuestos. Basándonos en dichos análisis, se preseleccionaron ochenta materiales que fueron ensayados en términos de reflectancia y emisividad para elegir cuatro con los que se continuó la investigación. Éstos, junto con la cal elegida para la investigación y el árido marmóreo característico de la última capa de revestimiento, fueron caracterizados térmicamente, de forma pormenorizada, así como química y físicamente. Los fundamentos teóricos y los estudios preliminares desarrollados con distintos materiales, en estado fresco y endurecido, fueron empleados en la dosificación de componentes de las mezclas, en dos proporciones distintas, para el estudio del efecto del agregado. Éstas se ensayaron en estado fresco, para comprobar su adecuación de puesta en obra y prever su VI adherencia al soporte, así como en estado endurecido a 28 y 90 días de curado, para conocer las propiedades que permitieran prever su compatibilidad con aquél y estimar el alcance de la reducción de transferencias térmicas lograda. Además, se estudiaron las características generales de las mezclas que sirvieron para establecer correlaciones entre distintas propiedades y entender los resultados mecánicos, físicos (comportamiento frente al agua) y energéticos. Del estudio conjunto de las distintas propiedades analizadas se propusieron dos mezclas, una blanca y otra coloreada, cuyas características permiten garantizar la compatibilidad con la obra de fábrica antigua, desde el punto de vista físico y mecánico, y preservar la autenticidad de los revestimientos, en cuanto a la técnica de aplicación tradicional en sistemas multicapa. El comportamiento térmico de las mismas, sobre una obra de fábrica de 40 cm de espesor, se estimó, en estado estacionario y pseudo-transitorio, demostrándose reducciones del flujo térmico entre 16-48%, en condiciones de verano, y entre el 6-11%, en invierno, en función de la coloración y de la rugosidad de la superficie, en comparación con el empleo de la mezcla tradicional. Por lo que, se constata la viabilidad de los materiales compuestos propuestos y su adecuación al objetivo de la investigación. VII ABSTRACT The envelope is responsible for balancing the energy exchange between the inside and outside in buildings. For this reason, any action aimed at reducing energy consumption must establish, as one of its key priorities, its improvement. In rural areas and urban centers, most of the constructions were built before 1940. In them, the impact of the façade on the global transmittance highlights the need for intervention. However, its high thermal inertia and fluctuation of temperatures in the majority of Spain bring up that it should be placed outside the insulation. In this regard, the lack of availability of enough thickness to implement systems such as ETICS results in that often the only viable solution is to isolate the interior, losing thereby the wall’s heat storage capacity with the associated risk of condensation. The tradition in the use of renders, especially lime-based, allows us to use them not only as an aesthetic element or to protect the ancient masonry, but also for improved thermal performance of the support by taking advantage of the heat transfer mechanism by radiation. This is the aim of this Doctoral Thesis in which the modification of the radiative properties of lime mortars for renders to improve the energy efficiency of historic buildings, mainly composed of monolithic walls, is studied, although it could be applied to other structures composed of several layers. As a starting point, the available literature in the three scientific-technological areas that converge at the Doctoral Thesis: rehabilitation, material and thermal behaviour, was reviewed, and confirmed the absence of researches similar to this Doctoral Thesis. Additionally, the renders were studied with regard to the materials that constitute them, the composition of the mixtures and the characteristics of each layer, as well as to the approach which, from a thermal point of view, was deemed the most suitable for achieving the objectives sets. Based on thre aforementioned analysis, eighty materials tested in terms of reflectance and emissivity were pre-selected, to choose four with which the research was continued. Common marble sand, used in the last layer of the renders, together with the appointed materials and hydrated lime were characterized thermally, in detail, as well as chemically and physically. The theoretical bases and preliminary studies with different materials, in fresh and hardened state, were used in the dosage of the composition of the mixtures. In order to study their effect they were used in two different proportions, that is, ten mixtures in total. These were tested in their fresh state to evaluate their setting-up suitability and foresee their adhesion to the support, as well as in their hardened state, at 28 and 90 days of curing, to establish the properties which enabled us to anticipate their compatibility with the old masonry walls and estimate the scope of the reduction of heat transfers achieved. In addition, the general characteristics of the mixtures used to establish correlations and to understand the mechanical, physical and energy results were studied. Two mixtures, one white and one colored, were proposed as the result of the different properties analysed, whose characteristics allow the guarantee of mechanical and physical compatibility VIII with the old masonry and preserve the authenticity of the renders. The thermal behavior of both, applied on a masonry wall 40 cm thick, was estimated at a steady and pseudo-transient state, with heat flow reductions between 16-48% during summertime and 6-11% during wintertime, depending on the color and surface roughness, compared to the use of the traditional mixture. So, the viability of the proposed composite materials and their fitness to the aim of the research are established.

Flow and fracture behaviour of high performance alloys

Based on our needs, that is to say, through precise simulation of the impact phenomena that may occur inside a jet engine turbine with an explicit non-linear finite element code, four new material models are postulated. Each one of is calibrated for four high-performance alloys that can be encountered in a modern jet engine. A new uncoupled material model for high strain and ballistic is proposed. Based on a Johnson-Cook type model, the proposed formulation introduces the effect of the third deviatoric invariant by means of three different Lode angle dependent functions. The Lode dependent functions are added to both plasticity and failure models. The postulated model is calibrated for a 6061-T651 aluminium alloy with data taken from the literature. The fracture pattern predictability of the JCX material model is shown performing numerical simulations of various quasi-static and dynamic tests. As an extension of the above-mentioned model, a modification in the thermal softening behaviour due to phase transformation temperatures is developed (JCXt). Additionally, a Lode angle dependent flow stress is defined. Analysing the phase diagram and high temperature tests performed, phase transformation temperatures of the FV535 stainless steel are determined. The postulated material model constants for the FV535 stainless steel are calibrated. A coupled elastoplastic-damage material model for high strain and ballistic applications is presented (JCXd). A Lode angle dependent function is added to the equivalent plastic strain to failure definition of the Johnson-Cook failure criterion. The weakening in the elastic law and in the Johnson-Cook type constitutive relation implicitly introduces the Lode angle dependency in the elastoplastic behaviour. The material model is calibrated for precipitation hardened Inconel 718 nickel-base superalloy. The combination of a Lode angle dependent failure criterion with weakened constitutive equations is proven to predict fracture patterns of the mechanical tests performed and provide reliable results. A transversely isotropic material model for directionally solidified alloys is presented. The proposed yield function is based a single linear transformation of the stress tensor. The linear operator weighs the degree of anisotropy of the yield function. The elastic behaviour, as well as the hardening, are considered isotropic. To model the hardening, a Johnson-Cook type relation is adopted. A material vector is included in the model implementation. The failure is modelled with the Cockroft-Latham failure criterion. The material vector allows orienting the reference orientation in any other that the user may need. The model is calibrated for the MAR-M 247 directionally solidified nickel-base superalloy.

New reynolds equation for line contact based on the carreau model modification by bair

This paper presents a new form of the one-dimensional Reynolds equation for lubricants whose rheological behaviour follows a modified Carreau rheological model proposed by Bair. The results of the shear stress and flow rate obtained through a new Reynolds–Carreau equation are shown and compared with the results obtained by other researchers.

Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills

En la actualidad existe un gran conocimiento en la caracterización de rellenos hidráulicos, tanto en su caracterización estática, como dinámica. Sin embargo, son escasos en la literatura estudios más generales y globales de estos materiales, muy relacionados con sus usos y principales problemáticas en obras portuarias y mineras. Los procedimientos semi‐empíricos para la evaluación del efecto silo en las celdas de cajones portuarios, así como para el potencial de licuefacción de estos suelos durantes cargas instantáneas y terremotos, se basan en estudios donde la influencia de los parámetros que los rigen no se conocen en gran medida, dando lugar a resultados con considerable dispersión. Este es el caso, por ejemplo, de los daños notificados por el grupo de investigación del Puerto de Barcelona, la rotura de los cajones portuarios en el Puerto de Barcelona en 2007. Por estos motivos y otros, se ha decidido desarrollar un análisis para la evaluación de estos problemas mediante la propuesta de una metodología teórico‐numérica y empírica. El enfoque teórico‐numérico desarrollado en el presente estudio se centra en la determinación del marco teórico y las herramientas numéricas capaces de solventar los retos que presentan estos problemas. La complejidad del problema procede de varios aspectos fundamentales: el comportamiento no lineal de los suelos poco confinados o flojos en procesos de consolidación por preso propio; su alto potencial de licuefacción; la caracterización hidromecánica de los contactos entre estructuras y suelo (camino preferencial para el flujo de agua y consolidación lateral); el punto de partida de los problemas con un estado de tensiones efectivas prácticamente nulo. En cuanto al enfoque experimental, se ha propuesto una metodología de laboratorio muy sencilla para la caracterización hidromecánica del suelo y las interfaces, sin la necesidad de usar complejos aparatos de laboratorio o procedimientos excesivamente complicados. Este trabajo incluye por tanto un breve repaso a los aspectos relacionados con la ejecución de los rellenos hidráulicos, sus usos principales y los fenómenos relacionados, con el fin de establecer un punto de partida para el presente estudio. Este repaso abarca desde la evolución de las ecuaciones de consolidación tradicionales (Terzaghi, 1943), (Gibson, English & Hussey, 1967) y las metodologías de cálculo (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) hasta las contribuciones en relación al efecto silo (Ranssen, 1985) (Ravenet, 1977) y sobre el fenómeno de la licuefacción (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). Con motivo de este estudio se ha desarrollado exclusivamente un código basado en el método de los elementos finitos (MEF) empleando el programa MATLAB. Para ello, se ha esablecido un marco teórico (Biot, 1941) (Zienkiewicz & Shiomi, 1984) (Segura & Caron, 2004) y numérico (Zienkiewicz & Taylor, 1989) (Huerta & Rodríguez, 1992) (Segura & Carol, 2008) para resolver problemas de consolidación multidimensional con condiciones de contorno friccionales, y los correspondientes modelos constitutivos (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fiu & Liu, 2011). Asimismo, se ha desarrollado una metodología experimental a través de una serie de ensayos de laboratorio para la calibración de los modelos constitutivos y de la caracterización de parámetros índice y de flujo (Castro, 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies, 2006). Para ello se han empleado arenas de Hostun como material (relleno hidráulico) de referencia. Como principal aportación se incluyen una serie de nuevos ensayos de corte directo para la caracterización hidromecánica de la interfaz suelo – estructura de hormigón, para diferentes tipos de encofrados y rugosidades. Finalmente, se han diseñado una serie de algoritmos específicos para la resolución del set de ecuaciones diferenciales de gobierno que definen este problema. Estos algoritmos son de gran importancia en este problema para tratar el procesamiento transitorio de la consolidación de los rellenos hidráulicos, y de otros efectos relacionados con su implementación en celdas de cajones, como el efecto silo y la licuefacciones autoinducida. Para ello, se ha establecido un modelo 2D axisimétrico, con formulación acoplada u‐p para elementos continuos y elementos interfaz (de espesor cero), que tratan de simular las condiciones de estos rellenos hidráulicos cuando se colocan en las celdas portuarias. Este caso de estudio hace referencia clara a materiales granulares en estado inicial muy suelto y con escasas tensiones efectivas, es decir, con prácticamente todas las sobrepresiones ocasionadas por el proceso de autoconsolidación (por peso propio). Por todo ello se requiere de algoritmos numéricos específicos, así como de modelos constitutivos particulares, para los elementos del continuo y para los elementos interfaz. En el caso de la simulación de diferentes procedimientos de puesta en obra de los rellenos se ha requerido la modificacion de los algoritmos empleados para poder así representar numéricamente la puesta en obra de estos materiales, además de poder realizar una comparativa de los resultados para los distintos procedimientos. La constante actualización de los parámetros del suelo, hace también de este algoritmo una potente herramienta que permite establecer un interesante juego de perfiles de variables, tales como la densidad, el índice de huecos, la fracción de sólidos, el exceso de presiones, y tensiones y deformaciones. En definitiva, el modelo otorga un mejor entendimiento del efecto silo, término comúnmente usado para definir el fenómeno transitorio del gradiente de presiones laterales en las estructuras de contención en forma de silo. Finalmente se incluyen una serie de comparativas entre los resultados del modelo y de diferentes estudios de la literatura técnica, tanto para el fenómeno de las consolidaciones por preso propio (Fredlund, Donaldson & Gitirana, 2009) como para el estudio del efecto silo (Puertos del Estado, 2006, EuroCódigo (2006), Japan Tech, Stands. (2009), etc.). Para concluir, se propone el diseño de un prototipo de columna de decantación con paredes friccionales, como principal propuesta de futura línea de investigación. Wide research is nowadays available on the characterization of hydraulic fills in terms of either static or dynamic behavior. However, reported comprehensive analyses of these soils when meant for port or mining works are scarce. Moreover, the semi‐empirical procedures for assessing the silo effect on cells in floating caissons, and the liquefaction potential of these soils during sudden loads or earthquakes are based on studies where the underlying influence parameters are not well known, yielding results with significant scatter. This is the case, for instance, of hazards reported by the Barcelona Liquefaction working group, with the failure of harbor walls in 2007. By virtue of this, a complex approach has been undertaken to evaluate the problem by a proposal of numerical and laboratory methodology. Within a theoretical and numerical scope, the study is focused on the numerical tools capable to face the different challenges of this problem. The complexity is manifold; the highly non‐linear behavior of consolidating soft soils; their potentially liquefactable nature, the significance of the hydromechanics of the soil‐structure contact, the discontinuities as preferential paths for water flow, setting “negligible” effective stresses as initial conditions. Within an experimental scope, a straightforward laboratory methodology is introduced for the hydromechanical characterization of the soil and the interface without the need of complex laboratory devices or cumbersome procedures. Therefore, this study includes a brief overview of the hydraulic filling execution, main uses (land reclamation, filled cells, tailing dams, etc.) and the underlying phenomena (self‐weight consolidation, silo effect, liquefaction, etc.). It comprises from the evolution of the traditional consolidation equations (Terzaghi, 1943), (Gibson, English, & Hussey, 1967) and solving methodologies (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) to the contributions in terms of silo effect (Ranssen, 1895) (Ravenet, 1977) and liquefaction phenomena (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). The novelty of the study lies on the development of a Finite Element Method (FEM) code, exclusively formulated for this problem. Subsequently, a theoretical (Biot, 1941) (Zienkiewicz and Shiomi, 1984) (Segura and Carol, 2004) and numerical approach (Zienkiewicz and Taylor, 1989) (Huerta, A. & Rodriguez, A., 1992) (Segura, J.M. & Carol, I., 2008) is introduced for multidimensional consolidation problems with frictional contacts and the corresponding constitutive models (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fu & Liu, 2011). An experimental methodology is presented for the laboratory test and material characterization (Castro 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies 2006) using Hostun sands as reference hydraulic fill. A series of singular interaction shear tests for the interface calibration is included. Finally, a specific model algorithm for the solution of the set of differential equations governing the problem is presented. The process of consolidation and settlements involves a comprehensive simulation of the transient process of decantation and the build‐up of the silo effect in cells and certain phenomena related to self‐compaction and liquefaction. For this, an implementation of a 2D axi‐syimmetric coupled model with continuum and interface elements, aimed at simulating conditions and self‐weight consolidation of hydraulic fills once placed into floating caisson cells or close to retaining structures. This basically concerns a loose granular soil with a negligible initial effective stress level at the onset of the process. The implementation requires a specific numerical algorithm as well as specific constitutive models for both the continuum and the interface elements. The simulation of implementation procedures for the fills has required the modification of the algorithm so that a numerical representation of these procedures is carried out. A comparison of the results for the different procedures is interesting for the global analysis. Furthermore, the continuous updating of the model provides an insightful logging of variable profiles such as density, void ratio and solid fraction profiles, total and excess pore pressure, stresses and strains. This will lead to a better understanding of complex phenomena such as the transient gradient in lateral pressures due to silo effect in saturated soils. Interesting model and literature comparisons for the self‐weight consolidation (Fredlund, Donaldson, & Gitirana, 2009) and the silo effect results (Puertos del Estado (2006), EuroCode (2006), Japan Tech, Stands. (2009)). This study closes with the design of a decantation column prototype with frictional walls as the main future line of research.