Relaxationsverluste bei Vorspanndrähten

Spannbetonbauteile sind anfällig für Relaxationsverluste, deren Berücksichtigung für die Tragwerksplanung von signifikanter Bedeutung ist. Spanndrähte werden nach der Herstellung zur Vereinfachung von Lagerung und Transport auf Coils gewickelt. Eventuelle nachteilige Auswirkungen dieser Vorgehensweise auf das Relaxationsverhalten von Spannstahldrähten werden in der Regel vernachlässigt, obwohl Hersteller sowie Bauunternehmer durch Relaxationsversuche nach langen Lagerzeiten festgestellt haben, dass der Relaxationsverlust in einigen Fällen höher ausfiel als kurz nach der Herstellung. Daher wird der Einfluss des Aufwickelns auf den Relaxationsverlust durch eine experimentelle Untersuchung überprüft und durch die Anwendung eines einfachen Analysemodells bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, dass einige Faktoren wie die Anfangsspannung, Langzeitlagerung oder Lagerung bei hohen Temperaturen Relaxationsverluste auslösen oder verstärken können. Es wird jedoch auch gezeigt, dass diese Auswirkungen unter Berücksichtigung der Anforderungen der entsprechenden Richtlinien (Mindest durch - messer Coil) vernachlässigt werden können.

Análisis de la deformación de rotura en el ensayo de tracción en probetas cilíndricas de acero perlítico

El ensayo de tracción permite obtener la curva tensión-deformación hasta el instante de carga máxima, sin embargo, a partir de ese momento el análisis de las tensiones y de las deformaciones resulta complicado. Conocer el comportamiento del material a partir del instante de carga máxima resulta fundamental para diseñar estrategias que mejoren la segundad estructural. Este trabajo presenta los resultados de una campaña experimental de ensayos de tracción sobre acero perlítico en la que se han estudiado sus deformaciones de rotura así como sus superficies de fractura, todo ello en probetas cilindricas con diferentes diámetros. Esta campaña ha sido acompañada de simulaciones numéricas con el fin de analizar el comportamiento del material en el interior de la sección. Adicionalmente, se han analizado las superficies de fractura de las probetas y se ha observado una relación no proporcional entre el tamaño de las probetas y el tamaño de la zona interna atribuida al crecimiento de poros. Esta relación no proporcional sugiere que dicha zona actuaría como un concentrador de tensiones, de forma similar a una fisura, y estaría afectado por el efecto de la tnaxialidad de las tensiones en la zona de rotura o

Strength and stiffness of repaired tendons

Rotator cuff tears of the shoulder are a common cause of pain and disability. Although surgery is frequently beneficial, re-tearing of the tendons is likely to re-occur. In many cases even if the reparation is successful it will still generate discomfort, problems with mobility, as well as a sharp pain. This project is funded in the cooperation with the Hospital Clinico San Carlos de Madrid. The purpose of this work is to analyze the effect of the surgical repair and the application of different therapies, including mesenchymal stem cell therapy on the biomechanical properties (strength and stiffness) of the repaired tendon. An animal model of rotator cuff tendon reparations has been developed on laboratory rats.To obtain the mechanical response of the healthy and repaired tendons, it was necessary to develop an experimental set up to reproduce the in-vivo working conditions of the tendons (37 ºC, immersed in physiological serum), and especially the load transfer. The biomechanical properties (maximum load and stiffness) have been measured in healthy and repaired tendons. A total of 70 rats are used in this particular study. It has been found that the repaired tendon is stronger than the original on. However, the repaired tendons demonstrate less flexibility than the healthy (original) ones prior to the damage

Mechanical behaviour and rupture of normal and pathological human ascending aortic wall

The mechanical properties of aortic wall, both healthy and pathological, are needed in order to develop and improve diagnostic and interventional criteria, and for the development of mechanical models to assess arterial integrity. This study focuses on the mechanical behaviour and rupture conditions of the human ascending aorta and its relationship with age and pathologies. Fresh ascending aortic specimens harvested from 23 healthy donors, 12 patients with bicuspid aortic valve (BAV) and 14 with aneurysm were tensile-tested in vitro under physiological conditions. Tensile strength, stretch at failure and elbow stress were measured. The obtained results showed that age causes a major reduction in the mechanical parameters of healthy ascending aortic tissue, and that no significant differences are found between the mechanical strength of aneurysmal or BAV aortic specimens and the corresponding age-matched control group. The physiological level of the stress in the circumferential direction was also computed to assess the physiological operation range of healthy and diseased ascending aortas. The mean physiological wall stress acting on pathologic aortas was found to be far from rupture, with factors of safety (defined as the ratio of tensile strength to the mean wall stress) larger than six. In contrast, the physiological operation of pathologic vessels lays in the stiff part of the response curve, losing part of its function of damping the pressure waves from the heart.

Synchrotron strain scanning for residual stress measurement in cold-drawn steel rods

Cold-drawn steel rods and wires retain significant residual stresses as a consequence of the manufacturing process. These residual stresses are known to be detrimental for the mechanical properties of the wires and their durability in aggressive environments. Steel makers are aware of the problem and have developed post-drawing processes to try and reduce the residual stresses on the wires. The present authors have studied this problem for a number of years and have performed a detailed characterization of the residual stress state inside cold-drawn rods, including both experimental and numerical techniques. High-energy synchrotron sources have been particularly useful for this research. The results have shown how residual stresses evolve as a consequence of cold-drawing and how they change with subsequent post-drawing treatments. The authors have been able to measure for the first time a complete residual strain profile along the diameter in both phases (ferrite and cementite) of a cold-drawn steel rod.

Influence of coiling on the stress relaxation of prestressing steel wires

The possible deleterious effects of coiling and long-term storage of coiled wires on the stress relaxation behaviour of prestressing steel wires has been checked by means of experimental work and a simple analytical model. The results show that if the requirements of standards are fulfilled (minimum coiling diameters), these effects can be neglected. However, some other factors, such as previous residual stresses, long-term storage or storage at high temperatures, can trigger or emphasize this damage to the material. In the authors' opinion, checking the final curvature of the wires after uncoiling prior to prestressing, as required in some standards, is to be recommended.

Influencia de las condiciones de almacenamiento sobre la relajación de aceros de pretensado = Influence of storage conditions on prestressing steel relaxation losses

La pérdida de tensión por relajación en las armaduras activas afecta de forma importante a las estructuras de hormigón pretensado. Por ello se realizan ensayos de relajación de los alambres y cordones de pretensado tras su fabricación. Después, el material es enrollado y almacenado durante periodos que en ocasiones pueden superar el año de duración. Generalmente se desprecia la influencia que estas operaciones posteriores a la fabricación pueden tener sobre el material. Sin embargo, diversos fabricantes y suministradores han constatado experimentalmente que, en ocasiones, el material almacenado durante un periodo prolongado presenta pérdidas de relajación mayores que inmediatamente tras su fabricación. En este trabajo se realizan ensayos de laboratorio para comprobar la influencia que el radio de enrollamiento y el periodo de almacenamiento tienen sobre las pérdidas de relajación. También se propone un modelo analítico que permite predecir de manera razonablemente aproximada el valor del ensayo de relajación sobre un alambre sometido a un enrollamiento prolongado. Este modelo explica la evolución del perfil de tensiones durante el proceso de enrollamiento-almacenamiento-desenrollamiento, así como la influencia de las tensiones residuales

Thermo-Mechanical Treatment Effects on Stress Relaxation and Hydrogen Embrittlement of Cold-Drawn Eutectoid Steels

The effects of the temperature and stretching levels used in the stress-relieving treatment of cold-drawn eutectoid steel wires are evaluated with the aim of improving the stress relaxation behavior and the resistance to hydrogen embrittlement. Five industrial treatments are studied, combining three temperatures (330, 400, and 460 °C) and three stretching levels (38, 50 and 64% of the rupture load). The change of the residual stress produced by the treatments is taken into consideration to account for the results. Surface residual stresses allow us to explain the time to failure in standard hydrogen embrittlement tests

Behaviour of steel prestressing wires under extreme conditions of strain rate and temperature

The purpose of this paper is to provide information on the behaviour of steel prestressing wires under likely conditions that could be expected during a fire or impact loads. Four loadings were investigated: a) the influence of strain rate – from 10–3 to 600 s–1 – at room temperature, b) the influence of temperature – from 24 to 600 °C – at low strain rate, c) the influence of the joint effect of strain rate and temperature, and d) damage after three plausible fire scenarios. At room temperature it was found that using “static” values is a safe option. At high temperatures our results are in agreement with design codes. Regarding the joint effect of temperature and strain rate, mechanical properties decrease with increasing temperature, although for a given temperature, yield stress and tensile strength increase with strain rate. The data provided can be used profitably to model the mechanical behaviour of steel wires under different scenarios.

Relationship between fibre orientation and tensile strength of natural collagen membranes for heart valve leaflets

Heart valve prostheses are used to replace native heart valves which that are damaged because of congenital diseases or due to ageing. Biological prostheses made of bovine pericardium are similar to native valves and do not require any anticoagulation treatment, but are less durable than mechanical prostheses and usually fail by tearing. Researches are oriented in improving the resistance and durability of biological heart valve prostheses in order to increase their life expectancy. To understand the mechanical behaviour of bovine pericardium and relate it to its microstructure (mainly collagen fibres concentration and orientation) uniaxial tensile tests have been performed on a model material made of collagen fibres. Small Angle Light Scattering (SALS) has been also used to characterize the microstructure without damaging the material. Results with the model material allowed us to obtain the orientation of the fibres, relating the microstructure to mechanical performance

Influence of coiling in stress relaxation of prestressing steel wires

The possible deleterious effects of coiling and long-time storage of coiled wires on the stress relaxation behaviour of prestressing steel wires has been checked by means of experimental work and a simple analytical model. The results show that if the requirements of Standards are fulfilled (minimum coiling diameters) these effects can be neglected. However, some other factors like previous residual stresses, long-time storage or storage at high temperatures, can trigger or emphasise this damage to the material. In the authors’ opinion it is recommendable to control the final curvature of the wires after uncoiling prior to prestressing, as required in some Standards.

Estudio mecánico sobre la resistencia de la pared de la aorta humana como predictor de riesgo de rotura de aneurisma

Definir el riesgo de rotura de un aneurisma, se considera un factor básico para elegir el momento adecuado de la intervención quirúrgica. Uno de los parámetros clásico utilizados es el diámetro del aneurisma (Ley de la Place). Sin embargo, otro factor mecánico como es el cociente entre la tensión máxima que soporta la pared (depende del diámetro de la aorta y de la morfología) y de la resistencia del material (pared de la aorta) es un elemento poco conocido. La razón estriba en comparar aortas “sanas” con “patológicas”. Este estudio lo hemos realizado en colaboración con el Departamento de Ciencias de Materiales de la Universidad Politécnica de Madrid

Estudio sobre propagación atmosférica en la banda de los THz: influencia de gases y nubes en 100 y 300 GHz.

La presente Tesis Doctoral fue desarrollada en el marco del proyecto Consolider-Ingenio 2010 CSD2008-00068 (TeraSense), financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España. Dentro este contexto, el grupo GTIC-Radiocomunicaciones de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ha llevado a cabo una serie de estudios, los cuales se centran específicamente en propagación atmosférica bajo condiciones de ausencia de lluvia en 100 y 300 GHz. Durante la primera etapa de esta investigación se ha llevado a cabo la caracterización y estimación de la atenuación total atmosférica y temperatura de brillo en ambas frecuencias, usando para ello perfiles atmosféricos. Con este propósito, se han obtenido datos de sondeos realizados en la estación de Madrid/Barajas, correspondientes a un periodo de 5 años. A partir de esta base de datos, así como de modelos de estimación, y asumiendo la validez de la aproximación de Rayleigh hasta 300 GHz, se han calculado las distribuciones acumuladas anuales de gases, nubes, y atenuación total, además de los correspondientes niveles de temperatura de brillo. Los principales resultados muestran que, a medida que aumenta la frecuencia, el vapor de agua tiene una fuerte influencia negativa, la cual es claramente dominante en 300 GHz. Así mismo, los estadísticos anuales de temperatura de brillo en 100 GHz han mostrado que la estimación de la atenuación total, a partir de medidas radiométricas, podría realizarse durante la mayor parte del tiempo, salvo en condiciones de lluvia. En 300 GHz, esta estimación sería difícil de realizar a partir de esta técnica, siendo posible únicamente durante periodos caracterizados por bajas concentraciones de vapor de agua en la atmósfera y ausencia de precipitaciones. Se ha introducido en esta investigación un método para identificar la presencia de condiciones de lluvia durante la realización de un sondeo, con el objetivo de descartar estos eventos de los estadísticos anuales de atenuación en ambas frecuencias. Este tipo de escenarios son generalmente evitados durante la realización de medidas radiométricas o cálculos basados en datos de sondeos. El procedimiento de detección se basa en el análisis de un conjunto de parámetros, algunos de ellos extraídos de observaciones sinópticas de superficie, además de la definición de un umbral de contenido integrado de agua líquida, ILWC. El funcionamiento del método ha sido evaluado bajo diferentes condiciones climatológicas, correspondientes a tres estaciones diferentes en España, donde se verificó también la existencia de datos pluviométricos. El uso del método ha demostrado que, en ausencia de registros de intensidad de lluvia, puede ser una herramienta útil de detección, cuyo comportamiento es conservador, debido a que el número de eventos que descarta es siempre mayor que el observado por un pluviómetro. Los resultados que se obtienen son buenos cuando se comparan las distribuciones acumuladas anuales de atenuación total obtenidas excluyendo los eventos detectados por el método y por los registros pluviométricos. En colaboración con el Grupo de Microondas y Radar de la UPM, se ha realizado una campaña de medidas radiométricas en 99 GHz, entre el 11 y el 24 de abril de 2012, con el fin de estimar la atenuación total a lo largo de un trayecto inclinado. Las series temporales obtenidas son consistentes con lo que se esperaba de este tipo de medidas: un nivel de referencia de baja atenuación en ausencia de nubes o lluvia, y aparentemente una buena compensación de las variaciones en la ganancia del receptor gracias a un procedimiento manual de calibraciones con carga caliente. Así mismo, se han observado claramente los efectos de la presencia de nubes sobre los resultados, hecho que confirma la mayor sensibilidad de las medidas en esta frecuencia a la presencia de agua líquida, en comparación con medidas simultáneas realizadas por un radiómetro en 19.7 GHz. Finalmente, se han observado un buen nivel de correspondencia entre los valores de atenuación estimados por el radiómetro en 99 GHz y aquellos estimados mediante sondeos meteorológicos, lo cual constituye una conclusión valiosa de cara a futuras campañas de medidas de mayor duración.

Estudio de la rotura en barras de acero : aspectos experimentales y numéricos

El acero es, junto con el hormigón, el material más ampliamente empleado en la construcción de obra civil y de edificación. Además de su elevada resistencia, su carácter dúctil resulta un aspecto de particular interés desde el punto de vista de la seguridad estructural, ya que permite redistribuir esfuerzos a elementos adyacentes y, por tanto, almacenar una mayor energía antes del colapso final de la estructura. No obstante, a pesar de su extendida utilización, todavía existen aspectos relacionados con su comportamiento en rotura que necesitan una mayor clarificación y que permitirían un mejor aprovechamiento de sus propiedades. Cuando un elemento de acero es ensayado a tracción y alcanza la carga máxima, sufre la aparición de un cuello de estricción que plantea dificultades para conocer el comportamiento del material desde dicho instante hasta la rotura. La norma ISO 6892-1, que define el método a emplear en un ensayo de tracción con materiales metálicos, establece procedimientos para determinar los parámetros relacionados con este tramo último de la curva F − E. No obstante, la definición de dichos parámetros resulta controvertida, ya que éstos presentan una baja reproducibilidad y una baja repetibilidad que resultan difíciles de explicar. En esta Tesis se busca profundizar en el conocimiento del último tramo de la curva F − E de los aceros de construcción. Para ello se ha realizado una amplia campaña experimental sobre dos aceros representativos en el campo de la construcción civil: el alambrón de partida empleado en la fabricación de alambres de pretensado y un acero empleado como refuerzo en hormigón armado. Los dos materiales analizados presentan formas de rotura diferentes: mientras el primero de ellos presenta una superficie de rotura plana con una región oscura claramente apreciable en su interior, el segundo rompe según la clásica superficie en forma de copa y cono. La rotura en forma de copa y cono ha sido ampliamente estudiada en el pasado y existen modelos de rotura que han logrado reproducirla con éxito, en especial el modelo de Gurson- Tvergaard-Needleman (GTN). En cuanto a la rotura exhibida por el primer material, en principio nada impide abordar su reproducción numérica con un modelo GTN, sin embargo, las diferencias observadas entre ambos materiales en los ensayos experimentales permiten pensar en otro criterio de rotura. En la presente Tesis se realiza una amplia campaña experimental con probetas cilíndricas fabricadas con dos aceros representativos de los empleados en construcción con comportamientos en rotura diferentes. Por un lado se analiza el alambrón de partida empleado en la fabricación de alambres de pretensado, cuyo frente de rotura es plano y perpendicular a la dirección de aplicación de la carga con una región oscura en su interior. Por otro lado, se estudian barras de acero empleadas como armadura pasiva tipo B 500 SD, cuyo frente de rotura presenta la clásica superficie en forma de copa y cono. Estos trabajos experimentales han permitido distinguir dos comportamientos en rotura claramente diferenciados entre ambos materiales y, en el caso del primer material, se ha identificado un comportamiento asemejable al exhibido por materiales frágiles. En este trabajo se plantea la hipótesis de que el primer material, cuya rotura provoca un frente de rotura plano y perpendicular a la dirección de aplicación de la carga, rompe de manera cuasifrágil como consecuencia de un proceso de decohesión, de manera que la región oscura que se observa en el centro del frente de rotura se asemeja a una entalla circular perpendicular a la dirección de aplicación de la carga. Para la reproducción numérica de la rotura exhibida por el primer material, se plantea un criterio de rotura basado en un modelo cohesivo que, como aspecto novedoso, se hace depender de la triaxialidad de tensiones, parámetro determinante en el fallo de este tipo de materiales. Este tipo de modelos presenta varias ventajas respecto a los modelos GTN habitualmente empleados. Mientras los modelos GTN precisan de numerosos parámetros para su calibración, los modelos cohesivos precisan fundamentalmente de dos parámetros para definir su curva de ablandamiento: la tensión de decohesión ft y la energía de fractura GF . Además, los parámetros de los modelos GTN no son medibles de manera experimental, mientras que GF sí lo es. En cuanto a ft, aunque no existe un método para su determinación experimental, sí resulta un parámetro más fácilmente interpretable que los empleados por los modelos GTN, que utilizan valores como el porcentaje de huecos presentes en el material para iniciar el fenómeno de coalescencia o el porcentaje de poros que provoca una pérdida total de la capacidad resistente. Para implementar este criterio de rotura se ha desarrollado un elemento de intercara cohesivo dependiente de la triaxialidad de tensiones. Se han reproducido con éxito los ensayos de tracción llevados a cabo en la campaña experimental empleando dicho elemento de intercara. Además, en estos modelos la rotura se produce fenomenológicamente de la misma manera observada en los ensayos experimentales: produciéndose una decohesión circular en torno al eje de la probeta. En definitiva, los trabajos desarrollados en esta Tesis, tanto experimentales como numéricos, contribuyen a clarificar el comportamiento de los aceros de construcción en el último tramo de la curva F − E y los mecanismos desencadenantes de la rotura final del material, aspecto que puede contribuir a un mejor aprovechamiento de las propiedades de estos aceros en el futuro y a mejorar la seguridad de las estructuras construidas con ellos. Steel is, together with concrete, the most widely used material in civil engineering works. Not only its high strength, but also its ductility is of special interest from the point of view of the structural safety, since it enables stress distribution with adjacent elements and, therefore, more energy can be stored before reaching the structural failure. However, despite of being extensively used, there are still some aspects related to its fracture behaviour that need to be clarified and that will allow for a better use of its properties. When a steel item is tested under tension and reaches the maximum load point, necking process begins, which makes difficult to define the material behaviour from that moment onward. The ISO standard 6892-1, which defines the tensile testing method for metallic materials, describes the procedures to obtain some parameters related to this last section of the F − E curve. Nevertheless, these parameters have proved to be controversial, since they have low reproducibility and repeatibility rates that are difficult to explain. This Thesis tries to deepen the knowledge of the last section of the F − E curve for construction steels. An extensive experimental campaign has been carried out with two representative steels used in civil engineering works: a steel rod used for manufacturing prestressing steel wires, before the cold-drawing process is applied, and steel bars used in reinforced concrete structures. Both materials have different fracture surfaces: while the first of them shows a flat fracture surface, perpendicular to the loading direction with a dark region in the centre of it, the second one shows the classical cup-cone fracture surface. The cup-cone fracture surface has been deeply studied in the past and different numerical models have been able to reproduce it with success, with a special mention to the Gurson-Tvergaard-Needleman model (GTN). Regarding the failure surface shown by the first material, in principle it can be numerically reproduced by a GTN model, but the differences observed between both materials in the experimental campaign suggest thinking of a different failure criterium. In the present Thesis, an extensive experimental campaign has been carried out using cylindrical specimens made of two representative construction steels with different fracture behaviours. On one hand, the initial eutectoid steel rod used for manufacturing prestressing steel wires is analysed, which presents a flat fracture surface, perpendicular to the loading direction, and with a dark region in the centre of it. On the other hand, B 500 SD steel bars, typically used in reinforced concrete structures and with the typical cup-cone fracture surface, are studied. These experimental works have allowed distinguishing two clearly different fracture behaviours between both materials and, in the case of the first one, a fragile-like behaviour has been identified. For the first material, which shows a flat fracture surface perpendicular to the loading direction, the following hypothesis is proposed in this study: a quasi-brittle fracture is developed as a consequence of a decohesion process, with the dark region acting as a circular crack perpendicular to the loading direction. To reproduce numerically the fracture behaviour shown by the first material, a failure criterium based on a cohesive model is proposed in this Thesis. As an innovative contribution, this failure criterium depends on the stress triaxiality state of the material, which is a key parameter when studying fracture in this kind of materials. This type of models have some advantages when compared to the widely used GTN models. While GTN models need a high number of parameters to be defined, cohesive models need basically two parameters to define the softening curve: the decohesion stress ft and the fracture energy GF . In addition to this, GTN models parameters cannot be measured experimentally, while GF is indeed. Regarding ft, although no experimental procedure is defined for its obtention, it has an easier interpretation than the parameters used by the GTN models like, for instance, the void volume needed for the coalescence process to start or the void volume that leads to a total loss of the bearing capacity. In order to implement this failure criterium, a triaxiality-dependent cohesive interface element has been developed. The experimental results obtained in the experimental campaign have been successfully reproduced by using this interface element. Furthermore, in these models the failure mechanism is developed in the same way as observed experimentally: with a circular decohesive process taking place around the longitudinal axis of the specimen. In summary, the works developed in this Thesis, both experimental and numerical, contribute to clarify the behaviour of construction steels in the last section of the F − E curve and the mechanisms responsible for the eventual material failure, an aspect that can lead to a better use of the properties of these steels in the future and a safety improvement in the structures built with them.

Atmospheric Propagation at 100 and 300 GHz: Assessment of a Method to Identify Rainy Conditions during Radiosoundings

The influence of atmospheric gases and tropospheric phenomena becomes more relevant at frequencies within the THz band (100 GHz to 10 THz), severely affecting the propagation conditions. The use of radiosoundings in propagation studies is a well established measurement technique in order to collect information about the vertical structure of the atmosphere, from which gaseous and cloud attenuation can be estimated with the use of propagation models. However, some of these prediction models are not suitable to be used under rainy conditions. In the present study, a method to identify the presence of rainy conditions during radiosoundings is introduced, with the aim of filtering out these events from yearly statistics of predicted atmospheric attenuation. The detection procedure is based on the analysis of a set of parameters, some of them extracted from synoptical observations of weather (SYNOP reports) and other derived from radiosonde observations (RAOBs). The performance of the method has been evaluated under different climatic conditions, corresponding to three locations in Spain, where colocated rain gauge data were available. Rain events detected by the method have been compared with those precipitations identified by the rain gauge. The pertinence Received 26 June 2012, Accepted 31 July 2012, Scheduled 15 August 2012 * Corresponding author: Gustavo Adolfo Siles Soria (gsiles@grc.ssr.upm.es). 258 Siles et al. of the method is discussed on the basis of an analysis of cumulative distributions of total attenuation at 100 and 300 GHz. This study demonstrates that the proposed method can be useful to identify events probably associated to rainy conditions. Hence, it can be considered as a suitable algorithm in order to filter out this kind of events from annual attenuation statistics.