Una familia de elementos simples conformes clase C1

Es una aplicaci��n del m��todo de los elementos finitos (M.E.F) al c��lculo de losas delgadas isotr��picas. Es pues un desarrollo de la funci��n soluci��n en suma de funciones a trozos. Dentro del M.E.F se utilizan como funciones interpolantes polinomios (integraci��n num��rica sencilla). La continuidad conseguida es C elevado a 1 (para el caso planteado representa convergencia monot��nica ). Son elementos simples (de f��cil extensi��n a l��minas) y que forman una familia jer��rquica (distintos grados de aproximaci��n sin cambiar la malla). El primer elemento de la familia es el clough- felippa. Al final se dan resultados comparativos de algunas placas con otro tipo de elementos y la soluci��n exacta.

Modelling of landslides propagation with SPH : effects of rheology and pore water pressure

El estudio desarrollado en este trabajo de tesis se centra en la modelizaci��n num��rica de la fase de propagaci��n de los deslizamientos r��pidos de ladera a trav��s del m��todo sin malla Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Este m��todo tiene la gran ventaja de permitir el an��lisis de problemas de grandes deformaciones evitando operaciones costosas de remallado como en el caso de m��todos num��ricos con mallas tal como el m��todo de los Elementos Finitos. En esta tesis, particular atenci��n viene dada al rol que la reolog��a y la presi��n de poros desempe��an durante estos eventos. El modelo matem��tico utilizado se basa en la formulaci��n de Biot-Zienkiewicz v - pw, que representa el comportamiento, expresado en t��rminos de velocidad del esqueleto s��lido y presiones de poros, de la mezcla de part��culas s��lidas en un medio saturado. Las ecuaciones que gobiernan el problema son: ��� la ecuaci��n de balance de masa de la fase del fluido intersticial, ��� la ecuaci��n de balance de momento de la fase del fluido intersticial y de la mezcla, ��� la ecuaci��n constitutiva y ��� una ecuaci��n cinem��tica. Debido a sus propiedades geom��tricas, los deslizamientos de ladera se caracterizan por tener una profundidad muy peque��a frente a su longitud y a su anchura, y, consecuentemente, el modelo matem��tico mencionado anteriormente se puede simplificar integrando en profundidad las ecuaciones, pasando de un modelo 3D a 2D, el cual presenta una combinaci��n excelente de precisi��n, sencillez y costes computacionales. El modelo propuesto en este trabajo se diferencia de los modelos integrados en profundidad existentes por incorporar un ulterior modelo capaz de proveer informaci��n sobre la presi��n del fluido intersticial a cada paso computacional de la propagaci��n del deslizamiento. En una manera muy eficaz, la evoluci��n de los perfiles de la presi��n de poros est�� num��ricamente resuelta a trav��s de un esquema explicito de Diferencias Finitas a cada nodo SPH. Este nuevo enfoque es capaz de tener en cuenta la variaci��n de presi��n de poros debida a cambios de altura, de consolidaci��n vertical o de cambios en las tensiones totales. Con respecto al comportamiento constitutivo, uno de los problemas principales al modelizar num��ricamente deslizamientos r��pidos de ladera est�� en la dificultad de simular con la misma ley constitutiva o reol��gica la transici��n de la fase de iniciaci��n, donde el material se comporta como un s��lido, a la fase de propagaci��n donde el material se comporta como un fluido. En este trabajo de tesis, se propone un nuevo modelo reol��gico basado en el modelo viscopl��stico de Perzyna, pensando a la viscoplasticidad como a la llave para poder simular tanto la fase de iniciaci��n como la de propagaci��n con el mismo modelo constitutivo. Con el fin de validar el modelo matem��tico y num��rico se reproducen tanto ejemplos de referencia con soluci��n anal��tica como experimentos de laboratorio. Finalmente, el modelo se aplica a casos reales, con especial atenci��n al caso del deslizamiento de 1966 en Aberfan, mostrando como los resultados obtenidos simulan con ��xito estos tipos de riesgos naturales. The study developed in this thesis focuses on the modelling of landslides propagation with the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) meshless method which has the great advantage of allowing to deal with large deformation problems by avoiding expensive remeshing operations as happens for mesh methods such as, for example, the Finite Element Method. In this thesis, special attention is given to the role played by rheology and pore water pressure during these natural hazards. The mathematical framework used is based on the v - pw Biot-Zienkiewicz formulation, which represents the behaviour, formulated in terms of soil skeleton velocity and pore water pressure, of the mixture of solid particles and pore water in a saturated media. The governing equations are: ��� the mass balance equation for the pore water phase, ��� the momentum balance equation for the pore water phase and the mixture, ��� the constitutive equation and ��� a kinematic equation. Landslides, due to their shape and geometrical properties, have small depths in comparison with their length or width, therefore, the mathematical model aforementioned can then be simplified by depth integrating the equations, switching from a 3D to a 2D model, which presents an excellent combination of accuracy, computational costs and simplicity. The proposed model differs from previous depth integrated models by including a sub-model able to provide information on pore water pressure profiles at each computational step of the landslide's propagation. In an effective way, the evolution of the pore water pressure profiles is numerically solved through a set of 1D Finite Differences explicit scheme at each SPH node. This new approach is able to take into account the variation of the pore water pressure due to changes of height, vertical consolidation or changes of total stress. Concerning the constitutive behaviour, one of the main issues when modelling fast landslides is the difficulty to simulate with the same constitutive or rheological model the transition from the triggering phase, where the landslide behaves like a solid, to the propagation phase, where the landslide behaves in a fluid-like manner. In this work thesis, a new rheological model is proposed, based on the Perzyna viscoplastic model, thinking of viscoplasticity as the key to close the gap between the triggering and the propagation phase. In order to validate the mathematical model and the numerical approach, benchmarks and laboratory experiments are reproduced and compared to analytical solutions when possible. Finally, applications to real cases are studied, with particular attention paid to the Aberfan flowslide of 1966, showing how the mathematical model accurately and successfully simulate these kind of natural hazards.

Modelizaci��n de la rotura y fluidificaci��n en geomateriales y geoestructuras

La rotura de las geoestructuras puede ser causada por cambios en las tensiones efectivas debidos bien por cargas externas (terremotos, por ejemplo), bien por variaci��n de las presiones intersticiales (lluvia), o cambios en la geometr��a (erosi��n), as�� como por una disminuci��n de las propiedades resistentes de los materiales (meteorizaci��n, ataque qu��mico, etc). El caso particular de los deslizamientos es interesante, existiendo diversas clasificaciones que tienen en cuenta su forma, velocidad de propagaci��n, etc. Dos de estos casos son los deslizamientos propiamente dichos y los flujos. En el primer caso, la deformaci��n se concentra en zonas de peque��o espesor, que se idealiza como una superficie (superficie de rotura). La cinem��tica de esta rotura se puede considerar como el movimiento relativo de dos masas cuyas deformaciones no son grandes. Este mecanismo est�� usualmente asociado a materiales sobreconsolidados que presentan reblandecimiento. Los flujos se producen generalmente en materiales de baja densidad y estructura metaestable, con tendencia a compactar, de forma que se generan presiones intersticiales que aumentan el ��ngulo de rozamiento movilizado, pudi��ndose llegar en algunos casos a la licuefacci��n. Este mecanismo de rotura se conoce como rotura difusa, y no ha sido tan estudiado como el de localizaci��n a pesar de se trata frecuentemente de roturas de tipo catastr��fico. De hecho, el suelo pasa de un estado s��lido a un estado fluidificado, con una gran movilidad. Es importante para el ingeniero predecir tanto el comportamiento de las geoestructuras bajo las cargas de c��lculo como las condiciones en las que se producir�� la rotura. De esta manera, en algunos casos, se podr��n reforzar las zonas m��s d��biles aumentando as�� su seguridad. En otros casos, no se podr�� realizar este refuerzo (grandes deslizamientos como avalanchas, lahares, etc), pero s�� se podr��n conocer las consecuencias de la rotura: velocidad de propagaci��n, alcance, espesores, etc. La modelizaci��n de estos problemas es compleja, ya que aparecen dificultades en los modelos matem��ticos, constitutivos o reol��gicos y num��ricos. Dado que en los geomateriales aparece una interacci��n fuerte entre el esqueleto s��lido y los fluidos intersticiales, esto debe ser tenido en cuenta en los modelos matem��ticos. En este trabajo se describir��n, pues, el desarrollo y aplicaci��n de t��cnicas avanzadas de modelizaci��n; matem��tica, constitutiva/reol��gica y num��rica. Se dedicar�� especial atenci��n a los problemas de transici��n entre suelos y suelos fluidificados, que hoy en d��a se estudian en una gran mayor��a de los casos con modelos diferentes. As�� por ejemplo, se emplean modelos constitutivos para el comportamiento previo a la rotura, y reol��gicos para los materiales fluidificados. En lo que respecta a los modelos matem��ticos, existen formulaciones nuevas en velocidades (o desplazamientos), tensiones, y presiones de aire y agua intersticial, de los que se pueden obtener modelos simplificados integrados en profundidad para deslizamientos r��pidos. Respecto de los modelos constitutivos, es interesante la teor��a de la Plasticidad Generalizada (modelo b��sico de Pastor-Zienkiewicz y extensiones a suelos no saturados). Se estudiar�� la extensi��n de estos modelos elastopl��sticos a la viscoplasticidad (Perzyna y consistente), explorando la posibilidad de emplearlos tanto antes como despu��s de la rotura. Finalmente, en lo que a modelos num��ricos se refiere, se describir�� la implementaci��n de los modelos matem��ticos y constitutivos desarrollados en (i) modelos cl��sicos de elementos finitos, como el GeHoMadrid desarrollado en los grupo investigador M2i al que pertenece el autor de este trabajo, (ii) M��todos de tipo Taylor Galerkin, y (iii) m��todos sin malla como el SPH y el Material Point Model. Estos modelos se aplicar��n, principalmente a (i) Licuefacci��n de estructuras cimentadas en el fondo marino (ii) presas de residuos mineros (iii) deslizamientos r��pidos de laderas.

Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills

En la actualidad existe un gran conocimiento en la caracterizaci��n de rellenos hidr��ulicos, tanto en su caracterizaci��n est��tica, como din��mica. Sin embargo, son escasos en la literatura estudios m��s generales y globales de estos materiales, muy relacionados con sus usos y principales problem��ticas en obras portuarias y mineras. Los procedimientos semi���emp��ricos para la evaluaci��n del efecto silo en las celdas de cajones portuarios, as�� como para el potencial de licuefacci��n de estos suelos durantes cargas instant��neas y terremotos, se basan en estudios donde la influencia de los par��metros que los rigen no se conocen en gran medida, dando lugar a resultados con considerable dispersi��n. Este es el caso, por ejemplo, de los da��os notificados por el grupo de investigaci��n 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 an��lisis para la evaluaci��n de estos problemas mediante la propuesta de una metodolog��a te��rico���num��rica y emp��rica. El enfoque te��rico���num��rico desarrollado en el presente estudio se centra en la determinaci��n del marco te��rico y las herramientas num��ricas 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 consolidaci��n por preso propio; su alto potencial de licuefacci��n; la caracterizaci��n hidromec��nica de los contactos entre estructuras y suelo (camino preferencial para el flujo de agua y consolidaci��n lateral); el punto de partida de los problemas con un estado de tensiones efectivas pr��cticamente nulo. En cuanto al enfoque experimental, se ha propuesto una metodolog��a de laboratorio muy sencilla para la caracterizaci��n hidromec��nica 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 ejecuci��n de los rellenos hidr��ulicos, sus usos principales y los fen��menos relacionados, con el fin de establecer un punto de partida para el presente estudio. Este repaso abarca desde la evoluci��n de las ecuaciones de consolidaci��n tradicionales (Terzaghi, 1943), (Gibson, English & Hussey, 1967) y las metodolog��as de c��lculo (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) hasta las contribuciones en relaci��n al efecto silo (Ranssen, 1985) (Ravenet, 1977) y sobre el fen��meno de la licuefacci��n (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). Con motivo de este estudio se ha desarrollado exclusivamente un c��digo basado en el m��todo de los elementos finitos (MEF) empleando el programa MATLAB. Para ello, se ha esablecido un marco te��rico (Biot, 1941) (Zienkiewicz & Shiomi, 1984) (Segura & Caron, 2004) y num��rico (Zienkiewicz & Taylor, 1989) (Huerta & Rodr��guez, 1992) (Segura & Carol, 2008) para resolver problemas de consolidaci��n multidimensional con condiciones de contorno friccionales, y los correspondientes modelos constitutivos (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fiu & Liu, 2011). Asimismo, se ha desarrollado una metodolog��a experimental a trav��s de una serie de ensayos de laboratorio para la calibraci��n de los modelos constitutivos y de la caracterizaci��n de par��metros ��ndice y de flujo (Castro, 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies, 2006). Para ello se han empleado arenas de Hostun como material (relleno hidr��ulico) de referencia. Como principal aportaci��n se incluyen una serie de nuevos ensayos de corte directo para la caracterizaci��n hidromec��nica de la interfaz suelo ��� estructura de hormig��n, para diferentes tipos de encofrados y rugosidades. Finalmente, se han dise��ado una serie de algoritmos espec��ficos para la resoluci��n 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 consolidaci��n de los rellenos hidr��ulicos, y de otros efectos relacionados con su implementaci��n en celdas de cajones, como el efecto silo y la licuefacciones autoinducida. Para ello, se ha establecido un modelo 2D axisim��trico, con formulaci��n acoplada u���p para elementos continuos y elementos interfaz (de espesor cero), que tratan de simular las condiciones de estos rellenos hidr��ulicos 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 pr��cticamente todas las sobrepresiones ocasionadas por el proceso de autoconsolidaci��n (por peso propio). Por todo ello se requiere de algoritmos num��ricos espec��ficos, as�� como de modelos constitutivos particulares, para los elementos del continuo y para los elementos interfaz. En el caso de la simulaci��n de diferentes procedimientos de puesta en obra de los rellenos se ha requerido la modificacion de los algoritmos empleados para poder as�� representar num��ricamente la puesta en obra de estos materiales, adem��s de poder realizar una comparativa de los resultados para los distintos procedimientos. La constante actualizaci��n de los par��metros del suelo, hace tambi��n de este algoritmo una potente herramienta que permite establecer un interesante juego de perfiles de variables, tales como la densidad, el ��ndice de huecos, la fracci��n de s��lidos, el exceso de presiones, y tensiones y deformaciones. En definitiva, el modelo otorga un mejor entendimiento del efecto silo, t��rmino com��nmente usado para definir el fen��meno transitorio del gradiente de presiones laterales en las estructuras de contenci��n en forma de silo. Finalmente se incluyen una serie de comparativas entre los resultados del modelo y de diferentes estudios de la literatura t��cnica, tanto para el fen��meno de las consolidaciones por preso propio (Fredlund, Donaldson & Gitirana, 2009) como para el estudio del efecto silo (Puertos del Estado, 2006, EuroC��digo (2006), Japan Tech, Stands. (2009), etc.). Para concluir, se propone el dise��o de un prototipo de columna de decantaci��n con paredes friccionales, como principal propuesta de futura l��nea de investigaci��n. 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.

Vibro-acoustic analysis of spacecraft structures with thin air layers

Esta Tesis presenta un estudio sobre el comportamiento vibroac��stico de estructuras espaciales que incluyen capas de aire delgadas, as�� como sobre su modelizaci��n num��rica. Las capas de aire pueden constituir un elemento fundamental en estos sistemas, como paneles solares plegados, que se consideran el caso de estudio en este trabajo. Para evaluar la influencia de las capas de aire en la respuesta din��mica del sistema se presenta el uso de modelos unidimensionales. La modelizaci��n de estos sistemas se estudia para los rangos de baja y alta frecuencia. En el rango de baja frecuencia se propone un conjunto de estrategias de simulaci��n basadas en t��cnicas num��ricas que se utilizan habitualmente en la industria aeroespacial para facilitar la aplicaci��n de los resultados de la Tesis en los modelos num��ricos actuales. Los resultados muestran el importante papel de las capas de aire en la respuesta del sistema. El uso de modelos basados en elementos finitos o de contorno para estos elementos proporciona resultados equivalentes aunque la aplicabilidad de estos ��ltimos puede estar condicionada por la geometr��a del problema. Se estudia asimismo el uso del An��lisis Estad��stico de la Energ��a (SEA) para estos elementos. Una de las estrategias de simulaci��n propuestas, que incluye una formulaci��n energ��tica para el aire que rodea a la estructura, se propone como estimador preliminar de la respuesta del sistema y sus frecuencias propias. Para el rango de alta frecuencia, se estudia la influencia de la definici��n del propio modelo SEA. Se presenta el uso de t��cnicas de reducci��n para determinar una matriz de p��rdidas SEA reducida para definiciones incompletas del sistema (si alg��n elemento que interact��a con el resto no se incluye en el modelo). Esta nueva matriz tiene en cuenta la contribuci��n de las subestructuras que no se consideran parte del modelo y que suelen ignorarse en el procedimiento habitual para reducir el tama��o del mismo. Esta matriz permite tambi��n analizar sistemas que incluyen alg��n componente con problemas de accesibilidad para medir su respuesta. Respecto a la determinaci��n de los factores de p��rdidas del sistema, se presenta una metodolog��a que permite abordar casos en los que el m��todo usual, el M��todo de Inyecci��n de Potencia (PIM), no puede usarse. Se presenta un conjunto de m��todos basados en la t��cnicas de optimizaci��n y de actualizaci��n de modelos para casos en los que no se puede medir la respuesta de todos los elementos del sistema y tambi��n para casos en los que no todos los elementos pueden ser excitados, abarcando un conjunto de casos m��s amplio que el abordable con el PIM. Para ambos rangos de frecuencia se presentan diferentes casos de an��lisis: modelos num��ricos para validar los m��todos propuestos y un panel solar plegado como caso experimental que pone de manifiesto la aplicaci��n pr��ctica de los m��todos presentados en la Tesis. ABSTRACT This Thesis presents an study on the vibro-acoustic behaviour of spacecraft structures with thin air layers and their numerical modelling. The air layers can play a key role in these systems as solar wings in folded configuration that constitute the study case for this Thesis. A method based on one-dimensional models is presented to assess the influence of the air layers in the dynamic response of the system. The modelling of such systems is studied for low and high frequency ranges. In the low frequency range a set of modelling strategies are proposed based on numerical techniques used in the industry to facilitate the application of the results in the current numerical models. Results show the active role of the air layers in the system response and their great level of influence. The modelling of these elements by means of Finite Elements (FE) and Boundary Elements (BE) provide equivalent results although the applicability of BE models can be conditioned by the geometry of the problem. The use of Statistical Energy Analysis (SEA) for these systems is also presented. Good results on the system response are found for models involving SEA beyond the usual applicability limit. A simulation strategy, involving energetic formulation for the surrounding fluid is proposed as fast preliminary approach for the system response and the coupled eigenfrequencies. For the high frequency range, the influence of the definition of the SEA model is presented. Reduction techniques are used to determine a Reduced SEA Loss Matrix if the system definition is not complete and some elements, which interact with the rest, are not included. This new matrix takes into account the contribution of the subsystems not considered that are neglected in the usual approach for decreasing the size of the model. It also allows the analysis of systems with accessibility restrictions on some element in order to measure its response. Regarding the determination of the loss factors of a system, a methodology is presented for cases in which the usual Power Injection Method (PIM) can not be applied. A set of methods are presented for cases in which not all the subsystem responses can be measured or not all the subsystems can be excited, as solar wings in folded configuration. These methods, based on error minimising and model updating techniques can be used to calculate the system loss factors in a set of cases wider than the PIM���s. For both frequency ranges, different test problems are analysed: Numerical models are studied to validate the methods proposed; an experimental case consisting in an actual solar wing is studied on both frequency ranges to highlight the industrial application of the new methods presented in the Thesis.

M��todos computacionales para visco-hiperelasticidad anis��tropa en grandes deformaciones

El comportamiento mec��nico de muchos materiales biol��gicos y polim��ricos en grandes deformaciones se puede describir adecuadamente mediante formulaciones isoc��ricas hiperel��sticas y viscoel��sticas. Las ecuaciones de comportamiento el��stico y viscoel��stico y las formulaciones computacionales para materiales incompresibles is��tropos en deformaciones finitas est��n ampliamente desarrolladas en la actualidad. Sin embargo, el desarrollo de modelos anis��tropos no lineales y de sus correspondientes formulaciones computacionales sigue siendo un tema de investigaci��n de gran inter��s. Cuando se consideran grandes deformaciones, existen muchas medidas de deformaci��n disponibles con las que poder formular las ecuaciones de comportamiento. Los modelos en deformaciones cuadr��ticas facilitan la implementaci��n en c��digos de elementos finitos, ya que estas medidas surgen de forma natural en la formulaci��n. No obstante, pueden dificultar la interpretaci��n de los modelos y llevar a resultados pocos realistas. El uso de deformaciones logar��tmicas permite el desarrollo de modelos m��s simples e intuitivos, aunque su formulaci��n computacional debe ser adaptada a las exigencias del programa. Como punto de partida, en esta tesis se demuestra que las deformaciones logar��tmicas representan la extensi��n natural de las deformaciones infinitesimales, tanto axiales como angulares, al campo de las grandes deformaciones. Este hecho permite explicar la simplicidad de las ecuaciones resultantes. Los modelos hiperel��sticos predominantes en la actualidad est��n formulados en invariantes de deformaciones cuadr��ticas. Estos modelos, ya sean continuos o microestructurales, se caracterizan por tener una forma anal��tica predefinida. Su expresi��n definitiva se calcula mediante un ajuste de curvas a datos experimentales. Un modelo que no sigue esta metodolog��a fue desarrollado por Sussman y Bathe. El modelo es s��lo v��lido para isotrop��a y queda definido por una funci��n de energ��a interpolada con splines, la cual reproduce los datos experimentales de forma exacta. En esta tesis se presenta su extensi��n a materiales transversalmente is��tropos y ort��tropos utilizando deformaciones logar��tmicas. Asimismo, se define una nueva propiedad que las funciones de energ��a anis��tropas deben satisfacer para que su convergencia al caso is��tropo sea correcta. En visco-hiperelasticidad, aparte de las distintas funciones de energ��a disponibles, hay dos aproximaciones computational t��picas basadas en variables internas. El modelo original de Sim�� est�� formulado en tensiones y es v��lido para materiales anis��tropos, aunque s��lo es adecuado para peque��as desviaciones con respecto al equilibrio termodin��mico. En cambio, el modelo basado en deformaciones de Reese y Govindjee permite grandes deformaciones no equilibradas pero es, en esencia, is��tropo. Las formulaciones anis��tropas en este ��ltimo contexto son microestructurales y emplean el modelo is��tropo para cada uno de los constituyentes. En esta tesis se presentan dos formulaciones fenomenol��gicas viscoel��sticas definidas mediante funciones hiperel��sticas anis��tropas y v��lidas para grandes desviaciones con respecto al equilibrio termodin��mico. El primero de los modelos est�� basado en la descomposici��n multiplicativa de Sidoroff y requiere un comportamiento viscoso is��tropo. La formulaci��n converge al modelo de Reese y Govindjee en el caso especial de isotrop��a el��stica. El segundo modelo se define a partir de una descomposici��n multiplicativa inversa. Esta formulaci��n est�� basada en una descripci��n co-rotacional del problema, es sustancialmente m��s compleja y puede dar lugar a tensores constitutivos ligeramente no sim��tricos. Sin embargo, su rango de aplicaci��n es mucho mayor ya que permite un comportamiento anis��tropo tanto el��stico como viscoso. Varias simulaciones de elementos finitos muestran la gran versatilidad de estos modelos cuando se combinan con funciones hiperel��sticas formadas por splines. ABSTRACT The mechanical behavior of many polymeric and biological materials may be properly modelled be means of isochoric hyperelastic and viscoelastic formulations. These materials may sustain large strains. The viscoelastic computational formulations for isotropic incompressible materials at large strains may be considered well established; for example Ogden���s hyperelastic function and the visco-hyperelastic model of Reese and Govindjee are well known models for isotropy. However, anisotropic models and computational procedures both for hyperelasticity and viscohyperelasticity are still under substantial research. Anisotropic hyperelastic models are typically based on structural invariants obtained from quadratic strain measures. These models may be microstructurallybased or phenomenological continuum formulations, and are characterized by a predefined analytical shape of the stored energy. The actual final expression of the stored energy depends on some material parameters which are obtained from an optimization algorithm, typically the Levenberg-Marquardt algorithm. We present in this work anisotropic spline-based hyperelastic stored energies in which the shape of the stored energy is obtained as part of the procedure and which (exactly in practice) replicates the experimental data. These stored energies are based on invariants obtained from logarithmic strain measures. These strain measures preserve the metric and the physical meaning of the trace and deviator operators and, hence, are interesting and meaningful for anisotropic formulations. Furthermore, the proposed stored energies may be formulated in order to have material-symmetries congruency both from a theoretical and from a numerical point of view, which are new properties that we define in this work. On the other hand, visco-hyperelastic formulations for anisotropic materials are typically based on internal stress-like variables following a procedure used by Sim��o. However, it can be shown that this procedure is not adequate for large deviations from thermodynamic equilibrium. In contrast, a formulation given by Reese and Govindjee is valid for arbitrarily large deviations from thermodynamic equilibrium but not for anisotropic stored energy functions. In this work we present two formulations for visco-hyperelasticity valid for anisotropic stored energies and large deviations from thermodynamic equilibrium. One of the formulations is based on the Sidoroff multiplicative decomposition and converges to the Reese and Govindjee formulation for the case of isotropy. However, the formulation is restricted to isotropy for the viscous component. The second formulation is based on a reversed multiplicative decomposition. This last formulation is substantially more complex and based on a corotational description of the problem. It can also result in a slightly nonsymmetric tangent. However, the formulation allows for anisotropy not only in the equilibrated and non-equilibrated stored energies, but also in the viscous behavior. Some examples show finite element implementation, versatility and interesting characteristics of the models.

Ku band waveguide diplexer design for satellite communication. Implementation by additive manufacturing and experimental characterization

Gran cantidad de servicios de telecomunicaci��n tales como la distribuci��n de televisi��n o los sistemas de navegaci��n est��n basados en comunicaciones por sat��lite. Del mismo modo que ocurre en otras aplicaciones espaciales, existe una serie de recursos clave severamente limitados, tales como la masa o el volumen. En este sentido, uno de los dispositivos pasivos m��s importantes es el diplexor del sistema de alimentaci��n de la antena. Este dispositivo permite el uso de una ��nica antena tanto para transmitir como para recibir, con la consiguiente optimizaci��n de recursos que eso supone. El objetivo principal de este trabajo es dise��ar un diplexor que cumpla especificaciones reales de comunicaciones por sat��lite. El dispositivo consiste en dos estructuras filtrantes unidas por una bifurcaci��n de tres puertas. Adem��s, es imprescindible utilizar tecnolog��a de gu��a de onda para su implementaci��n debido a los altos niveles de potencia manejados. El dise��o del diplexor se lleva a cabo dividiendo la estructura en diversas partes, con el objetivo de que todo el proceso sea factible y eficiente. En primer lugar, se han desarrollado filtros con diferentes respuestas ��� paso alto, paso bajo y paso banda ��� aunque ��nicamente dos de ellos formar��n el diplexor. Al afrontar su dise��o inicial, se lleva a cabo un proceso de s��ntesis te��rica utilizando modelos circuitales. A continuaci��n, los filtros se optimizan con t��cnicas de dise��o asistido por ordenador (CAD) full-wave, en concreto mode matching. En este punto es esencial analizar las estructuras y su simetr��a para determinar qu�� modos electromagn��ticos se est��n propagando realmente por los dispositivos, para as�� reducir el esfuerzo computacional asociado. Por ��ltimo, se utiliza el M��todo de los Elementos Finitos (FEM) para verificar los resultados previamente obtenidos. Una vez que el dise��o de los filtros est�� terminado, se calculan las dimensiones correspondientes a la bifurcaci��n. Finalmente, el diplexor al completo se somete a un proceso de optimizaci��n para cumplir las especificaciones el��ctricas requeridas. Adem��s, este trabajo presenta un novedoso valor a��adido: la implementaci��n f��sica y la caracterizaci��n experimental tanto del diplexor como de los filtros por separado. Esta posibilidad, impracticable hasta ahora debido a su elevado coste, se deriva del desarrollo de las t��cnicas de manufacturaci��n aditiva. Los prototipos se imprimen en pl��stico (PLA) utilizando una impresora 3D de bajo coste y posteriormente se metalizan. El uso de esta tecnolog��a conlleva dos limitaciones: la precisi��n de las dimensiones geom��tricas (��0.2 mm) y la conductividad de la pintura met��lica que recubre las paredes internas de las gu��as de onda. En este trabajo se incluye una comparaci��n entre los valores medidos y simulados, as�� como un an��lisis de los resultados experimentales. En resumen, este trabajo presenta un proceso real de ingenier��a: el problema de dise��ar un dispositivo que satisfaga especificaciones reales, las limitaciones causadas por el proceso de fabricaci��n, la posterior caracterizaci��n experimental y la obtenci��n de conclusiones.

Resistencia a carga concentrada transversal considerando la contribuci��n conjunta de un nervio de rigidez y de los rigidizadores transversales : aplicaci��n al dise��o de puentes empujados

Esta Tesis Doctoral aborda el estudio de la resistencia a carga concentrada transversal del alma de vigas met��licas cuando se dispone un nervio inferior de rigidez, que puede materializarse mediante una c��lula triangular soldada al ala inferior de la viga y sobre el que se aplica directamente la carga. En primer lugar se presenta, de una forma cualitativa, las mejoras resistentes que aporta este dise��o frente a la resistencia de una viga doble T (o alma equivalente de una secci��n caj��n) con el ala inferior exenta. Se concluye que esta soluci��n tiene gran inter��s de cara al dise��o de puentes empujados, ya que, con una ejecuci��n muy simple, puede mejorarse de forma sustancial la resistencia a carga concentrada transversal del alma sin recurrir a soluciones mucho m��s costosas como disponer rigidizaci��n longitudinal o, en ��ltima instancia, aumentar el espesor de alma por motivos resistentes en una fase constructiva. Se analizan en detalle todas las investigaciones realizadas, a lo largo de m��s de 80 a��os, sobre la resistencia de vigas met��licas a carga concentrada transversal, llevadas a cabo ��nicamente sobre vigas doble T con o sin rigidizaci��n longitudinal. Se centra el an��lisis en investigar los mecanismos resistentes identificados, con objeto de determinar si las distintas formulaciones planteadas contemplan mecanismos de resistencia aplicables al caso de vigas con nervio de rigidez. Se profundiza posteriormente en el an��lisis de la contribuci��n de un nervio de rigidez a la resistencia a carga concentrada transversal. A trav��s de modelos num��ricos de elementos finitos no lineales, se simula la resistencia ��ltima de secciones reales de puentes met��licos de tipo doble T a las que se a��ade un nervio de rigidez y se constata el incremento notable en la resistencia que aporta el nervio. Se identifican los mecanismos resistentes involucrados, mediante un modelo h��brido de elementos finitos con el nervio modelizado con elementos viga, de forma que se obtienen resultados de esfuerzos y movimientos en el propio nervio, como viga en flexi��n, que resultan de gran claridad para la interpretaci��n estructural del fen��meno. Con ello, se compara la resistencia calculada con la vigente formulaci��n de EAE y EN1993 con la obtenida en vigas doble T y vigas con nervio de rigidez y se concluye que tal formulaci��n es insuficiente para evaluar la resistencia de estas ��ltimas, ya que no reproduce el mecanismo de resistencia conjunta del nervio y rigidizadores, adicional a la simple contribuci��n del alma a la resistencia. A la vista de ello se plantea una formulaci��n alternativa, que contempla de forma expl��cita los mecanismos resistentes complementarios identificados: flexi��n longitudinal del nervio, cuando los rigidizadores est��n m��s separados que la longitud de alma resistente, y contribuci��n directa de los rigidizadores a la resistencia pl��stica cuando se aproximan a menor separaci��n que la longitud de alma resistente. Las conclusiones derivadas de todo el an��lisis anterior se aplican al dise��o de un caso real de puente empujado, en el que se suprime toda la rigidizaci��n longitudinal y, sobre unas almas exentas de espesor suficiente por resistencia a cortante, se dispone un nervio de rigidez. Los mecanismos resistentes identificados en la Tesis Doctoral, apoyados en la formulaci��n planteada al efecto, permiten al ingeniero alternativas de dise��o frente a las posibilidades que le otorga la vigente formulaci��n de resistencia a carga concentrada en vigas doble T. As��, en efecto, una viga doble T que requiera una mayor resistencia a carga concentrada transversal s��lo puede reforzarse incrementando el espesor del alma. Por el contrario, con el nervio de rigidez, el ingeniero puede actuar sobre otras variables de dise��o: incrementar la rigidez del nervio manteniendo el espesor del alma, para potenciar el mecanismo de flexi��n longitudinal del nervio; o bien aproximar rigidizadores, m��s incluso que la longitud de alma resistente, en cuyo caso limitar��n ��sta a su separaci��n pero contribuir��n a incrementar el valor total de la resistencia, superando una insuficiencia de la vigente formulaci��n ya detectada en diversas investigaciones recientes.

Influencia de la temperatura en la deflexi��n de firmes flexibles

En esta investigaci��n se ha estudiado el efecto de la variaci��n de la temperatura en la deflexi��n de firmes flexibles. En primer lugar se han recopilado los criterios existentes de ajuste de la deflexi��n por efecto de la temperatura. Posteriormente, se ha llevado a cabo un estudio emp��rico mediante la auscultaci��n de las deflexiones en cinco tramos de carretera con firme flexible y con diferentes espesores de mezclas bituminosas (entre 10 y 30 cm). Las medidas se han efectuado en dos campa��as (verano e invierno), tratando de abarcar un amplio rango de temperaturas. En cada campa��a, se han llevado a cabo distintas auscultaciones a diferentes temperaturas. Las medidas de cada campa��a se han realizado el mismo d��a. Se han obtenido los coeficientes emp��ricos de ajuste por temperatura para cada tramo analizado. Adem��s, se ha realizado un estudio te��rico mediante la elaboraci��n de diferentes modelos (multicapa el��stico lineal, multicapa visco-el��stico lineal y elementos finitos) que reproducen la respuesta estructural de los firmes flexibles auscultados. La caracterizaci��n mec��nica de las mezclas bituminosas se ha realizado mediante ensayos de m��dulo complejo en laboratorio, a diferentes temperaturas y frecuencias, sobre testigos extra��dos en las carreteras estudiadas. Se han calculado los coeficientes te��ricos de ajuste por temperatura para cada modelo elaborado y tramo analizado. Finalmente, se ha realizado un estudio comparativo entre los distintos coeficientes de ajuste (existentes, emp��ricos y te��ricos), que ha puesto de manifiesto que, en todos los casos analizados, los coeficientes obtenidos en el modelo de elementos finitos son los que m��s se aproximan a los coeficientes emp��ricos (valor de referencia para los tramos analizados). El modelo desarrollado de elementos finitos permite reproducir el comportamiento visco-el��stico de las mezclas bituminosas y el car��cter din��mico de las cargas aplicadas. Se han utilizado elementos tipo tetraedro isoparam��trico lineal (C3D8R) para el firme y la parte superior del cimiento, mientras que para la parte inferior se han empleado elementos infinitos (CIN3D8). In this research the effect produced by the temperature change on flexible pavements deflection is analysed. First, the existing criteria of deflection adjustment by temperature were collected. Additionally, an empirical analysis was carried out, consisting on deflection tests in five flexible-pavement road sections with different asphalt mix thickness (from 10 to 30 cm). The measures were taken in two seasons (summer and winter) in an effort to register a wide range of temperatures. Different surveys were carried out at different temperatures in each season. The tests of each season were done at the same day. The empirical temperature adjustment factors for every analysed section were obtained. A theoretical study was carried out by developing different models (linear elastic multilayer, linear visco-elastic multilayer and finite elements) that reproduce the structural response of the tested flexible pavements. The mechanical characterization of the asphalt mixes was achieved through laboratory complex-modulus tests at different temperatures and frequencies, using pavement cores from the surveyed roads. The theoretical temperature adjustment factors for each model developed and each section analysed were calculated. Finally, a comparative study among the different adjustment factors (existing, empirical and theoretical) was carried out. It has shown that, in all analysed cases, the factors obtained with the finite elements model are the closest to the empirical factors (reference value for the analysed sections). The finite elements model developed makes it possible to reproduce the visco-elastic behavior of the asphalt mixes and the dynamic nature of the applied loads. Linear isoparametric tetrahedral elements (C3D8R) have been used for the pavement and the subgrade, while infinite elements (CIN3D8) have been used for the foundations.

An��lisis de la resistencia de las juntas frente a carga horizontal de un edificio de dos plantas construido con paneles prefabricados de hormig��n armado

En el presente estudio se pretende abordar la situaci��n de estudio en la que actualmente se encuentra el estudio y an��lisis del comportamiento de juntas de hormig��n a esfuerzo rasante pero sin armadura pasante concretamente en este trabajo realizado se ha procedido analizar el comportamiento de paneles para la empresa INDAGSA que ha desarrollado unos paneles prefabricados portantes que sus juntas se componen de una barra corrugada embebida a lo largo de la junta en el hormig��n ejecutado in situ. El estudio ser�� enfocado desde un punto de vista espec��fico para los paneles que desarrolla el grupo INDAGSA ya que posteriormente se realizaran ensayos en laboratorio de paneles prefabricados para comparar su comportamiento con los modelos analizados en este trabajo, aunque la aplicaci��n que se explica esta principalmente como indica la actual normativa se trata como una junta entre hormigones de distinta edad concretamente uno prefabricado y el otro perteneciente a la junta ejecutado in situ. El an��lisis del comportamiento a esfuerzo rasante de juntas de hormig��n sin armadura pasante se ha abordado escasas veces por lo que tampoco existen muchos estudios en los que basarse y m��s en elementos tan esbeltos como son los paneles prefabricados que se han analizado de 10 cm de espesor, 2,2 m de altura y un vano de 6,4 m. Los paneles se analizaran mediante el software de c��lculo estructural Sap2000 mediante modelado y an��lisis con elementos finitos. Despu��s de modelar los paneles sencillos es decir que no forman parte de ninguna estructura sino que se analizaran como viga biapoyada, modelada la junta con elementos muelle o muelles verificando que se aproximan a los valores te��ricos obtenidos de tensi��n en el acero y esfuerzo rasante generado en la junta. Una vez modelados y verificados se usaran los par��metros de los paneles sencillos para modelar una vivienda de dos plantas y se analizara su comportamiento a carga horizontal estudiando la forma por la que puede fallar la vivienda si es a causa de la rotura por esfuerzo rasante de las juntas o por plastificaci��n de la armadura anclada en la cimentaci��n. Posteriormente con estos resultados obtenidos INDAGSA tiene el prototipo de vivienda en escala real para someterlo a un ensayo a carga horizontal como el simulado y analizado con Sap2000 para comprobar y ajustar el modelo.

Modelado y an��lisis del comportamiento hidro-el��stico de rotores para DAECS

La transformaci��n de la energ��a cin��tica del mar en una fuente renovable de energ��a el��ctrica podr��a ser un hecho relevante desde el punto de visto tecnol��gico en un futuro cercano. En el campo de las energ��as renovables marinas, las turbinas de corrientes de eje horizontal son posiblemente el dispositivo m��s adecuado para la obtenci��n de electricidad. Las t��cnicas de c��lculo existentes en la actualidad para obtener las distribuciones de cargas a las que est�� sometida una pala de una turbina de corrientes son las siguientes: Modelos de disco actuador, M��todo de l��neas sustentadoras y m��todo de elementos finitos. Estas t��cnicas presentan ciertas dificultades para su implementaci��n y obtenci��n de resultados preliminares, ya que entra��an gran complejidad conceptual y su entendimiento no resulta sencillo ni tampoco elaborar procedimientos de c��lculo que se puedan utilizar durante la fase de dise��o conceptual o b��sico de una turbina. En este trabajo, se analizar��n los conceptos f��sicos y matem��ticos que intervienen en el funcionamiento de una turbina de corrientes, para confeccionar un m��todo o procedimiento de c��lculo que sea relativamente intuitivo y sencillo de manejar. Esta herramienta de c��lculo permitir�� obtener resultados para el dise��o b��sico, y tambi��n puede ser un punto de partida para manejar otras herramientas de c��lculo m��s avanzadas ya que los principios fundamentales son los mismos. En la parte final del trabajo se aplicar��n las ecuaciones obtenidas a varios casos reales de turbinas de corrientes. ABSTRACT Transforming the kinetic energy of the sea into renewable useful source electricity could be a relevant technologic development in the near future. In this field, marine horizontal axis turbines (HAT) are possibly, the most important devices. The current calculation techniques used to obtain the acting forces or loads in the marine current horizontal axis rotor blades: Actuator disc models, lifting lines and finite element method, have certain disadvantages which lead difficulties to obtain relatively quick results, in addition, these methods are not easy to understand and mastering, and furthermore, complex computing tools are required to obtain results. In the present work, the common physical and mathematic fundamentals will be studied and analyzed with the aim to create a new easier managing calculating tool. The proposed procedure of this document can be considered as a help towards to calculate preliminary solutions easier, and also a starting point to manage physical ideas which could be used with other calculation tools. And finally, the mathematic fundamentals will be explained and the implementation of the equations in a real case. Nevertheless, due to the real complexity of the problem, the assumed simplifications of this model must be taken into account, in order to know the possible calculating limitations of this procedure and consequently use it correctly.

Estudio te��rico-experimental para la mejora de la resistencia estructural de autocares basado en el dise��o de uniones y asientos

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

Estudio din��mico de las aceleraciones en pasos inferiores de l��neas de alta velocidad

El comportamiento din��mico de los puentes de ferrocarril, tanto convencional como de alta velocidad, constituye uno de los criterios de dise��o m��s relevantes en la actualidad, puesto que bajo situaciones resonantes la amplificaci��n din��mica que se produce puede llegar a ser muy elevada, no resultando v��lidas las metodolog��as utilizadas tradicionalmente. De igual forma, la amplificaci��n din��mica suele llevar asociada la aparici��n de inestabilidades de la v��a relacionadas con vibraciones excesivas de la capa de balasto, las cuales comprometen los estados l��mite de servicio de la estructura y por lo tanto no permiten garantizar el confort de los pasajeros. Para analizar el comportamiento din��mico de estructuras semi-enterradas en l��neas de alta velocidad se decide llevar a cabo el presente Trabajo Fin de M��ster en colaboraci��n con la Subdirecci��n de Ingenier��a e Innovaci��n de Adif. En este contexto, los objetivos principales de esta investigaci��n comprenden la revisi��n del estado actual de conocimiento relativo a c��lculo y evaluaci��n din��mica, el an��lisis de tipolog��as de estructuras semi-enterradas de alguna de las l��neas de alta velocidad gestionadas por Adif, as�� como la elaboraci��n de distintos modelos num��ricos de Elementos Finitos que permitan contrastar las medidas experimentales obtenidas en la campa��a de instrumentaci��n realizada. Por tanto, se realiza un estudio detallado del paso inferior seleccionado como representativo de la LAV Madrid - Barcelona - Frontera Francesa por medio de modelos num��ricos en 2 y 3 dimensiones, desarrollados en FEAP v8.1 (2007). Estos modelos son calibrados en base a las aceleraciones m��ximas registradas en la campa��a instrumental, as�� como al estudio del contenido frecuencial de cada uno de los sensores dispuestos. La resoluci��n de los modelos se lleva a cabo por medio de una descomposici��n modal. Por ��ltimo, en lo que se refiere a resultados obtenidos, destacar que los modelos desarrollados tras la calibraci��n reproducen de forma fiel el comportamiento din��mico del paso inferior seleccionado bajo el eje activo de circulaci��n. As��, se puede concluir que este tipo de estructuras semi-enterradas no se ven comprometidas ante la acci��n din��mica de las composiciones ferroviarias consideradas, tanto para las velocidades actuales de circulaci��n como para previsibles incrementos de estas.

Acciones humanas sobre estructuras

En esta tesis se propone un nuevo modelo de carga para caracterizar los saltos de personas sobre estructuras y se estudia la influencia de las personas en las propiedades din��micas de la estructura. En el estudio del comportamiento estructural de construcciones como gimnasios, salas de baile, estadios, auditorios o pasarelas peatonales sometidas a cargas producidas por un gran n��mero de personas, se deben tener en cuenta las fuerzas din��micas, lo cual implica el uso de modelos de c��lculo m��s complejos y criterios de dimensionamiento con nuevos par��metros. Por ello, es necesario determinar a qu�� cargas van a estar sometidas este tipo de estructuras y c��mo van a cambiar cuando se encuentren ocupadas por personas. En la primera parte del trabajo se presenta el problema de considerar las fuerzas din��micas en el an��lisis de estructuras. Se indican los factores que influyeron en el inter��s por este tipo de estudios. Se exponen los objetivos de la tesis y se propone la metodolog��a para conseguirlos. Tambi��n en esta primera parte se describe el estado del arte. Se explican los modelos existentes de carga generada por saltos de personas y se hace un repaso de los principales autores y estudios sobre este tema. Por ��ltimo se exponen algunas ideas sobre las modificaciones din��micas que provoca la presencia de las personas en las estructuras. En la segunda parte de la tesis se explica el modelo de carga de saltos propuesta en este trabajo, donde se incluye una campa��a de ensayos con saltos sobre una placa de carga. Se describen las estructuras de ensayo, un gimnasio y una losa que cubre un aljibe. Se detalla la identificaci��n de las propiedades din��micas de las estructuras, describiendo los ensayos correspondientes y los resultados de un An��lisis Operacional Modal. Por ��ltimo se presenta el modelo de elementos finitos de la estructura elegida para los ensayos. En la tercera y ��ltima parte del trabajo se comprueba la validez de los modelos de carga estudiados mediante la realizaci��n de ensayos din��micos con personas saltando y la posterior comparaci��n de los resultados experimentales con las simulaciones num��ricas. Como ��ltimo resultado se estudia la influencia de las personas en las propiedades din��micas de la estructura. Para ello se utilizan los datos obtenidos mediante un ensayo con personas pasivas. ABSTRACT In this thesis, a new load model is proposed to characterize people jumping on structures and the influence of people in the dynamic properties of the structure is studied. In the study of the structural behavior of buildings such as gymnasiums, dance halls, stadiums, auditoriums or footbridges subjected to loads generated by crowd, dynamic forces must take into account, which involves the use of more complex calculation models and dimensioning criteria with new parameters. Therefore, it is necessary to determine these dynamic loads and how structures will change when they are occupied by people. In the first part of the work the problem of considering the dynamic forces in the analysis of structures is presented. The factors that influence on the interest in this type of study are indicated. The objectives of the thesis are presented and also the proposed methodology in order to achieve them. In this first part the state of the art is described. Existing jumping load models are explained and a review of the main authors and studies on this subject is done. Finally some ideas about the dynamic changes caused by the presence of people in the structures are exposed. In the second part of the thesis the proposed jumping load model is explained, including jump tests on a force plate. Test structures, a gym and a concrete slab are described. Dynamic properties identification of the test structures is detailed with the corresponding tests and Operational Modal Analysis results. Finally, a finite element model of the structure chosen for the tests is presented. In the third part of the work, the studied jump load models are validated by performing dynamic testing with people jumping and the subsequent comparison of experimental results with numerical simulations. As a last result, the influence of people on the dynamic properties of the structure is checked. For this purpose, obtained data from a test with passive people are used.

Computational and Experimental Modelling of Mooring Lines Dynamics for Offshore Floating Wind Turbines

El c��lculo de cargas de aerogeneradores flotantes requiere herramientas de simulaci��n en el dominio del tiempo que consideren todos los fen��menos que afectan al sistema, como la aerodin��mica, la din��mica estructural, la hidrodin��mica, las estrategias de control y la din��mica de las l��neas de fondeo. Todos estos efectos est��n acoplados entre s�� y se influyen mutuamente. Las herramientas integradas se utilizan para calcular las cargas extremas y de fatiga que son empleadas para dimensionar estructuralmente los diferentes componentes del aerogenerador. Por esta raz��n, un c��lculo preciso de las cargas influye de manera importante en la optimizaci��n de los componentes y en el coste final del aerogenerador flotante. En particular, el sistema de fondeo tiene gran impacto en la din��mica global del sistema. Muchos c��digos integrados para la simulaci��n de aerogeneradores flotantes utilizan modelos simplificados que no consideran los efectos din��micos de las l��neas de fondeo. Una simulaci��n precisa de las l��neas de fondeo dentro de los modelos integrados puede resultar fundamental para obtener resultados fiables de la din��mica del sistema y de los niveles de cargas en los diferentes componentes. Sin embargo, el impacto que incluir la din��mica de los fondeos tiene en la simulaci��n integrada y en las cargas todav��a no ha sido cuantificada rigurosamente. El objetivo principal de esta investigaci��n es el desarrollo de un modelo din��mico para la simulaci��n de l��neas de fondeo con precisi��n, validarlo con medidas en un tanque de ensayos e integrarlo en un c��digo de simulaci��n para aerogeneradores flotantes. Finalmente, esta herramienta, experimentalmente validada, es utilizada para cuantificar el impacto que un modelos din��micos de l��neas de fondeo tienen en la computaci��n de las cargas de fatiga y extremas de aerogeneradores flotantes en comparaci��n con un modelo cuasi-est��tico. Esta es una informaci��n muy ��til para los futuros dise��adores a la hora de decidir qu�� modelo de l��neas de fondeo es el adecuado, dependiendo del tipo de plataforma y de los resultados esperados. El c��digo din��mico de l��neas de fondeo desarrollado en esta investigaci��n se basa en el m��todo de los Elementos Finitos, utilizando en concreto un modelo ���Lumped Mass��� para aumentar su eficiencia de computaci��n. Los experimentos realizados para la validaci��n del c��digo se realizaron en el tanque del ��cole C��ntrale de Nantes (ECN), en Francia, y consistieron en sumergir una cadena con uno de sus extremos anclados en el fondo del tanque y excitar el extremo suspendido con movimientos arm��nicos de diferentes periodos. El c��digo demostr�� su capacidad para predecir la tensi��n y los movimientos en diferentes posiciones a lo largo de la longitud de la l��nea con gran precisi��n. Los resultados indicaron la importancia de capturar la din��mica de las l��neas de fondeo para la predicci��n de la tensi��n especialmente en movimientos de alta frecuencia. Finalmente, el c��digo se utiliz�� en una exhaustiva evaluaci��n del efecto que la din��mica de las l��neas de fondeo tiene sobre las cargas extremas y de fatiga de diferentes conceptos de aerogeneradores flotantes. Las cargas se calcularon para tres tipolog��as de aerogenerador flotante (semisumergible, ���spar-buoy��� y ���tension leg platform���) y se compararon con las cargas obtenidas utilizando un modelo cuasi-est��tico de l��neas de fondeo. Se lanzaron y postprocesaron m��s de 20.000 casos de carga definidos por la norma IEC 61400-3 siguiendo todos los requerimientos que una entidad certificadora requerir��a a un dise��ador industrial de aerogeneradores flotantes. Los resultados mostraron que el impacto de la din��mica de las l��neas de fondeo, tanto en las cargas de fatiga como en las extremas, se incrementa conforme se consideran elementos situados m��s cerca de la plataforma: las cargas en la pala y en el eje s��lo son ligeramente modificadas por la din��mica de las l��neas, las cargas en la base de la torre pueden cambiar significativamente dependiendo del tipo de plataforma y, finalmente, la tensi��n en las l��neas de fondeo depende fuertemente de la din��mica de las l��neas, tanto en fatiga como en extremas, en todos los conceptos de plataforma que se han evaluado. ABSTRACT The load calculation of floating offshore wind turbine requires time-domain simulation tools taking into account all the phenomena that affect the system such as aerodynamics, structural dynamics, hydrodynamics, control actions and the mooring lines dynamics. These effects present couplings and are mutually influenced. The results provided by integrated simulation tools are used to compute the fatigue and ultimate loads needed for the structural design of the different components of the wind turbine. For this reason, their accuracy has an important influence on the optimization of the components and the final cost of the floating wind turbine. In particular, the mooring system greatly affects the global dynamics of the floater. Many integrated codes for the simulation of floating wind turbines use simplified approaches that do not consider the mooring line dynamics. An accurate simulation of the mooring system within the integrated codes can be fundamental to obtain reliable results of the system dynamics and the loads. The impact of taking into account the mooring line dynamics in the integrated simulation still has not been thoroughly quantified. The main objective of this research consists on the development of an accurate dynamic model for the simulation of mooring lines, validate it against wave tank tests and then integrate it in a simulation code for floating wind turbines. This experimentally validated tool is finally used to quantify the impact that dynamic mooring models have on the computation of fatigue and ultimate loads of floating wind turbines in comparison with quasi-static tools. This information will be very useful for future designers to decide which mooring model is adequate depending on the platform type and the expected results. The dynamic mooring lines code developed in this research is based in the Finite Element Method and is oriented to the achievement of a computationally efficient code, selecting a Lumped Mass approach. The experimental tests performed for the validation of the code were carried out at the `Ecole Centrale de Nantes (ECN) wave tank in France, consisting of a chain submerged into a water basin, anchored at the bottom of the basin, where the suspension point of the chain was excited with harmonic motions of different periods. The code showed its ability to predict the tension and the motions at several positions along the length of the line with high accuracy. The results demonstrated the importance of capturing the evolution of the mooring dynamics for the prediction of the line tension, especially for the high frequency motions. Finally, the code was used for an extensive assessment of the effect of mooring dynamics on the computation of fatigue and ultimate loads for different floating wind turbines. The loads were computed for three platforms topologies (semisubmersible, spar-buoy and tension leg platform) and compared with the loads provided using a quasi-static mooring model. More than 20,000 load cases were launched and postprocessed following the IEC 61400-3 guideline and fulfilling the conditions that a certification entity would require to an offshore wind turbine designer. The results showed that the impact of mooring dynamics in both fatigue and ultimate loads increases as elements located closer to the platform are evaluated; the blade and the shaft loads are only slightly modified by the mooring dynamics in all the platform designs, the tower base loads can be significantly affected depending on the platform concept and the mooring lines tension strongly depends on the lines dynamics both in fatigue and extreme loads in all the platform concepts evaluated.