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

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

Modelos numéricos para el estudio de la ventilación en túneles

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

Aplicación de métodos numéricos en la simulación del flujo sanguíneo en el sistema arterial

Revisión de algunas aplicaciones de mecánica computacional de fluidos en la simulación del flujo sanguíneo.

Entre Bastidores: Evaluación empleando Métodos Numéricos

El bastidor de un tractor es ¿la estructura metálica perteneciente al chasis encargada de soportar todo el peso del vehículo?. En los tractores, debido a su gran compacidad, escasa longitud y elevada posición del centro de gravedad, el bastidor dominante durante el último siglo ha sido el bastidor de tipo monocasco. Recientemente, con el objetivo de reducir la relación masa/potencia, se vienen implantando en algunos modelos los bastidores de tipo chasis. En el mundo, equipos de ingenieros investigan y desarrollan métodos numéricos empleando distintos modelos de bastidores tanto de tipo chasis como en los modelos de bastidores tradicionales. Esto ha permitido mejorar su diseño y facilitar el uso. Además, las marcas de maquinaria agrícola potencian también la investigación para crear innovaciones estructurales que no hayan sido planteadas anteriormente y que supongan un ahorro en los costes de producción así como una mejora de las prestaciones de la máquina.

Modelos numéricos para estudios de incendio en túneles con ventilación longitudinal

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

Vibraciones transmitidas por el tráfico ferroviario. Una aplicación de los métodos numéricos al proyecto

El creciente número de soterramiento de vías de ferrocarril en ciudades y la consiguiente liberación de terrenos utilizables para edificios de habitación ha conducido al incremento de quejas por las vibraciones transmitidas por el tráfico ferroviario. En este artículo se comparan los resultados obtenidos mediante el uso de diferentes medidas correctoras simuladas numéricamente y se describen brevemente las mejoras conseguidas con la solución que se está construyendo en algunos lugares.

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

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

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

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

Métodos numéricos

En primer lugar se hace referencia al Método de los Elementos Finitos (MEF), a partir del cual se plantea el esquema general de un programa en elasticidad en el que, para empezar, se procede a la introducción de datos; despues, para cada elemento se realiza el cálculo de k elevado a e, el cálculo de f elevado a e, la rotación a coordenadas globales y la colocación en matrices globales k y f; los siguientes pasos son: aplicación de las condiciones de contorno, resolución del sistema de ecuaciones, cálculo de tensiones y esfuerzos y finalmente, presentación de resultados. En segundo lugar, en el apartado dedicado a la viscoelasticidad se recuerdan dos alternativas que son de interés en el tratamiento numérico de problemas viscoelásticos. Por un lado se resume la formulación de la ley de comportamiento mediante variables de estado y a continuación se presenta una formulación de tipo potencial. Finalmente se muestra un ejemplo sencillo.

Métodos numéricos en ingeniería sísmica

Los métodos numéricos aplicados al estudio de estructuras sometidas a esfuezos de origen sísmico han sido utilizados habitualmente en ingeniería. La limitación tradicional con que se encontraba el analista radicaba en el enorme esfuerzo de cálculo mecánico necesario para obtener respuestas significativas tan pronto como el modelo matemático a analizar presentaba una cierta complejidad. Esta situación se vió sustancialmente modificada por la aparición del ordenador que, justamente, libera al proyectista del trabajo repetitivo irracional y permite dedicar tiempo a la reflexión, a la par que aumenta espectacularmente la capacidad de modelado. No es extraño pues, que en los ultimos 30 años se haya asistido a un renacimiento de una rama de la Matemática que parecía agostada y que ,fecundada por la nueva herramienta ha florecido en un sinf{n de técnicas y procedimientos que ponen al alcance del ingeniero el análisis de virtualmente, cualquier problema estructural. En este capítulo se pretende exponer algunas de las ideas subyacentes en estos métodos nuevos así como su posible aplicación al campo que nos interesa. Evidentemente, la limitación de espacio impedirá profundizar adecuadamente en los temas, pero la finalidad última será dotar al estudioso de un marco general en el que situar posteriores aventuras intelectuales. El contenido se articula en tres grupos principales que se refieren, respectivamente al modelado de la solicitación sísmica, de la estructura y cimiento, y al análisis de la respuesta. Tras lo dicho anteriormente, una exposición que no incluyese alguna manifestación palpable de la influencia de la máquina, estaría indefectiblemente esviada. Por ello, se incluyen como apéndices cuatro bloques de subrutinas; dos de ellas, en lenguaje Basic de microordenador, se refeiren a la transformada rápida de Fourier de la que se hablará más adelante, y al cálculo de autovalores de estructuras formadas por barras; la tercera es un pequeño programa en Fortran IV, que permite obtener la respuesta de un sistema de un grado de libertad por un método de integracidn paso a paso. En el primer apartado se inserta tambien un programa de determinación de hipocentros. Todas las subrutinas son elementales y ampliamente mejorables. Creemos sin embargo que ello las hace especialmente legibles lo que puede impeler su uso y mejora par el estudiante ; intervención, en definitiva ,deseada y que es el más importante objetivo al que aspiramos.

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

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

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

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

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

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

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

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

Métodos numéricos y estadísticos de caracterización de uniones tubulares soldadas para su aplicación en modelos de elementos finitos de estructuras de vehículos

El análisis de estructuras mediante modelos de elementos finitos representa una de las metodologías más utilizadas y aceptadas en la industria moderna. Para el análisis de estructuras tubulares de grandes dimensiones similares a las sobrestructuras de autobuses y autocares, los elementos de tipo viga son comúnmente utilizados y recomendados debido a que permiten obtener resultados satisfactorios con recursos computacionales reducidos. No obstante, los elementos de tipo viga presentan importante desventaja ya que las uniones modeladas presentan un comportamiento infinitamente rígido, esto determina un comportamiento mas rígido en las estructuras modeladas lo que se traduce en fuentes de error para las simulaciones estructurales (hasta un 60%). Mediante el modelado de uniones tubulares utilizando elementos de tipo área o volumen, se pueden obtener modelos más realistas, ya que las características topológicas de la unión propiamente dicha pueden ser reproducidas con un mayor nivel de detalle. Evitándose de esta manera los inconvenientes de los elementos de tipo viga. A pesar de esto, la modelización de estructuras tubulares de grandes dimensiones con elementos de tipo área o volumen representa una alternativa poco atractiva debido a la complejidad del proceso de modelados y al gran número de elementos resultantes lo que implica la necesidad de grandes recursos computacionales. El principal objetivo del trabajo de investigación presentado, fue el de obtener un nuevo tipo de elemento capaz de proporcionar estimaciones más exactas en el comportamiento de las uniones modeladas, al mismo tiempo manteniendo la simplicidad del procesos de modelado propio de los elementos de tipo viga regular. Con el fin de alcanzar los objetivos planteados, fueron realizadas diferentes metodologías e investigaciones. En base a las investigaciones realizadas, se obtuvo un modelo de unión viga alternativa en el cual se introdujeron un total seis elementos elásticos al nivel de la unión mediante los cuales es posible adaptar el comportamiento local de la misma. Adicionalmente, para la estimación de las rigideces correspondientes a los elementos elásticos se desarrollaron dos metodologías, una primera basada en la caracterización del comportamiento estático de uniones simples y una segunda basada en la caracterización del comportamiento dinámico a través de análisis modales. Las mejoras obtenidas mediante la implementación del modelo de unión alternativa fueron analizadas mediante simulaciones y validación experimental en una estructura tubular compleja representativa de sobrestructuras de autobuses y autocares. En base a los análisis comparativos realizados con la uniones simples modeladas y los experimentos de validación, se determinó que las uniones modeladas con elementos de tipo viga son entre un 5-60% más rígidas que uniones equivalentes modeladas con elementos área o volumen. También se determinó que las uniones área y volumen modeladas son entre un 5 a un 10% mas rígidas en comparación a uniones reales fabricadas. En los análisis realizados en la estructura tubular compleja, se obtuvieron mejoras importantes mediante la implementación del modelo de unión alternativa, las estimaciones del modelo viga se mejoraron desde un 49% hasta aproximadamente un 14%. ABSTRACT The analysis of structures with finite elements models represents one of the most utilized an accepted technique in the modern industry. For the analysis of large tubular structures similar to buses and coaches upper structures, beam type elements are utilized and recommended due to the fact that these elements provide satisfactory results at relatively reduced computational performances. However, the beam type elements have a main disadvantage determined by the fact that the modeled joints have an infinite rigid behavior, this shortcoming determines a stiffer behavior of the modeled structures which translates into error sources for the structural simulations (up to 60%). By modeling tubular junctions with shell and volume elements, more realistic models can be obtained, because the topological characteristics of the junction at the joint level can be reproduced more accurately. This way, the shortcoming that the beam type elements present can be solved. Despite this fact, modeling large tubular structures with shell or volume type elements represents an unattractive alternative due to the complexity of the modeling process and the large number of elements that result which imply the necessity of vast computational performances. The main objective of the research presented in this thesis was to develop a new beam type element that would be able to provide more accurate estimations for the local behavior of the modeled junctions at the same time maintaining the simplicity of the modeling process the regular beam type elements have. In order to reach the established objectives of the research activities, a series of different methodologies and investigations have been necessary. From these investigations an alternative beam T-junction model was obtained, in which a total of six elastic elements at the joint level were introduced, the elastic elements allowed us to adapt the local behavior of the modeled junctions. Additionally, for the estimation of the stiffness values corresponding to the elastic elements two methodologies were developed, one based on the T-junction’s static behavior and a second one based on the T-junction’s dynamic behavior by means of modal analysis. The improvements achieved throughout the implementation of this alternative T-junction model were analyzed though mechanical validation in a complex tubular structures that had a representative configuration for buses and coaches upper structures. From the comparative analyses of the finite element modeled T-junctions and mechanical experimental analysis, was determined that the beam type modeled T-junctions have a stiffer behavior compared to equivalent shell and volume modeled T-junctions with average differences ranging from 5-60% based on the profile configurations. It was also determined that the shell and volume models have a stiffer behavior compared to real T-junctions varying from 5 to 10% depending on the profile configurations. Based on the analysis of the complex tubular structure, significant improvements were obtained by the implementation of the alternative beam T-junction model, the model estimations were improved from a 49% to approximately 14%.