Mejora de la seguridad de las presas de escollera frente a percolación accidental mediante protecciones tipo repié

Esta tesis doctoral es el fruto de un trabajo de investigación cuyo objetivo principal es definir criterios de diseño de protecciones en forma de repié en presas de materiales sueltos cuyo espaldón de aguas abajo esté formado por escollera. La protección propuesta consiste en un relleno de material granular situado sobre el pie de aguas abajo de la presa y formado a su vez por una escollera con características diferenciadas respecto de la escollera que integra el espaldón de la presa. La función de esta protección es evitar que se produzcan deslizamientos en masa cuando una cantidad de agua anormalmente elevada circula accidentalmente por el espaldón de aguas abajo de la presa por distintos motivos como pueden ser el vertido por coronación de la presa o la pérdida de estanqueidad del elemento impermeable o del cimiento. Según los datos de la International Commission on Large Dams (ICOLD 1995) el 70% de las causas de rotura o avería grave en presas de materiales sueltos en el mundo están dentro de las que se han indicado con anterioridad. Esta circulación accidental de agua a través del espaldón de escollera, típicamente turbulenta, se ha denominado en esta tesis percolación (“through flow”, en inglés) para diferenciarla del término filtración, habitualmente utilizada para el flujo laminar a través de un material fino. El fenómeno físico que origina la rotura de presas de materiales sueltos sometidas a percolación accidental es complejo, entrando en juego diversidad de parámetros, muchas veces no deterministas, y con acoplamiento entre procesos, tanto de filtración como de arrastre y deslizamiento. En esta tesis se han realizado diferentes estudios experimentales y numéricos con objeto de analizar el efecto sobre el nivel de protección frente al deslizamiento en masa que producen los principales parámetros geométricos que definen el repié: la anchura de la berma, el talud exterior y su altura máxima desde la base. También se han realizado estudios sobre factores con gran influencia en el fenómeno de la percolación como son la anisotropía del material y el incremento de los caudales unitarios en el pie de presa debidos a la forma de la cerrada. A partir de los resultados obtenidos en las distintas campañas de modelación física y numérica se han obtenido conclusiones respecto a la efectividad de este tipo de protección para evitar parcial o totalmente los daños provocados por percolación accidental en presas de escollera. El resultado final de la tesis es un procedimiento de diseño para este tipo de protecciones. Con objeto de completar los criterios de dimensionamiento, teniendo en cuenta los mecanismos de rotura por erosión interna y arrastre, se han incluido dentro del procedimiento recomendaciones adicionales basadas en investigaciones existentes en la bibliografía técnica. Finalmente, se han sugerido posibles líneas de investigación futuras para ampliar el conocimiento de fenómenos complejos que influyen en el comportamiento de este tipo de protección como son el efecto de escala, la anisotropía de la escollera, las leyes de resistencia que rigen la filtración turbulenta a través de medios granulares, los efectos de cimentaciones poco competentes o la propia caracterización de las propiedades de la escollera de presas. This thesis is the result of a research project that had the main objective of defining criteria to design rockfill toe protections for dams with a highly‐permeable downstream shoulder. The proposed protection consists of a rockfill toe berm situated downstream from the dam with specific characteristics with respect to the rockfill that integrates the shoulder of the main dam. The function of these protections is to prevent mass slides due to an abnormally high water flow circulation through the dam shoulder. This accidental seepage flow may be caused by such reasons as overtopping or the loss of sealing at the impervious element of the dam or its foundation. According to data from the International Commission on Large Dams (ICOLD 1995), 70% of the causes of failure or serious damage in embankment dams in the world are within that described previously. This accidental seepage of water through the rockfill shoulder, typically turbulent, is usually called through‐flow. The physical phenomenon which causes the breakage of the rockfill shoulder during such through‐flow processes is complex, involving diversity of parameters (often not deterministic) and coupling among processes, not only seepage but also internal erosion, drag or mass slide. In this thesis, numerical and experimental research is conducted in order to analyze the effects of the main parameters that define the toe protection, i.e. the toe crest length, its slope and maximum height. Additional studies on significant factors which influence the seepage, such as the anisotropy of the material and the increase of the unit flows at the dam toe due to the valley shape are also performed. In addition, conclusions regarding the effectiveness of this type of protection are obtained based on the results of physical and numerical models. The main result of the thesis is a design procedure for this type of protection to avoid mass sliding. In order to complete the design criteria, additional recommendations about internal and external erosion based on the state of the art are included. Finally, new lines of research are suggested for the future to expand the level of knowledge of the complex phenomena that influence the behavior of this type of protection, such as the effects of scale, rockfill anisotropy, non‐linear seepage laws in turbulent seepage through granular media, effects of erodible foundations, or new procedures to characterize the properties of dam rockfill as a construction material.

Inspección técnica de la presa Santa Marta, mediante medidas subacuáticas de potencial espontáneo

Las filtraciones de agua, con la consecuente erosión interna en presas de materiales sueltos, es una de las causas principales de fallos y accidentes. Las consecuencias del fallo de estas estructuras, pueden ser, pérdidas tanto económicas como de vidas humanas. Por lo cual en este proyecto se describe la aplicación de un método de prospección geofísica no invasiva, medidas de potencial espontáneo, para detectar posibles filtraciones de agua en el cuerpo de la presa. El flujo de agua a través de un material poroso y permeable crea un campo de potencial eléctrico de una magnitud de decenas o centenas de milivoltios, el cual puede ser medido y así detectar infiltraciones de agua en presas de materiales sueltos. Se ha aplicado esta técnica en la Presa Santa Marta, y mediante una interpretación cualitativa de los datos medidos, tomados en la cara aguas arriba de la presa (medidas subacuáticas), se logró identificar un flujo de agua vertical y otro subhorizontal, que estaban ingresando en el cuerpo de la presa, los cuales estaban causando erosión interna y la formación de una tubificación. ABSTRACT Water leakages and internal erosion in embankment dams is one of the main causes of failures and accidents. The consequences of the failure of these structures may cause losses both, economical and of human lives. Therefore, this project describes the application of a noninvasive geophysical prospecting method, self potential measurements, to detect water leakages in the body of the dam. Water flow through a porous and pervious medium creates an electric potential field with a magnitude of tens or hundreds of milivolts, which can be measured and thus detect water leakage in embankment dams. This technique has been applied to the Santa Marta dam, and through a qualitative self potential data interpretation, of the measurements obtained in an upstream direction (underwater measurements), a vertical and sub horizontal water flows entering in the body dam were identified, which were causing internal erosion and developing a piping

Valoración de Indicadores de calidad para el diseño e implementación de tecnologías de manejo en Luvisoles de la zona norte de la provincia de Las Tunas, Cuba

La calidad del suelo es una herramienta de evaluación que puede facilitar la adaptación de prácticas de manejo que promuevan sistemas agropecuarios sostenibles. La investigación de este trabajo se inició con un diagnóstico participativo en 12 comunidades rurales de la provincia de Las Tunas en el año 2009 en el cual los productores identificaron los puntos críticos de calidad de los suelos de la región y sirvieron de punta de partida para seleccionar las variables físicas, químicas y biológicas a determinar en cinco sistemas de uso agropecuario (arboleda, pasto natural, pasto cultivado y dos sistemas silvopastoriles) en la zona La Veguita, municipio Las Tunas. El sistema arboleda se utilizó como referencia de las propiedades naturales del suelo. El pasto natural se distingue por el desarrollo de especies de baja productividad, sin embargo el pasto cultivado está representado por Pennisetum purpureum vc CUBA CT-115, y constituye una contribución a la tecnología de bancos de biomasa, para utilizarse en el pastoreo durante la seca. Los sistemas silvopastoriles están representados por Leucaena leucocephala Lam. en franjas y Panicum maximun vc. Likoni, los que se diferencian en su diseño, manejo y propiedades mineralógicas. El objetivo fundamental fue valorar indicadores de calidad de los suelos Luvisoles háplicos sobre granitoides, para diseñar e implementar tecnologías de manejo que permitan incrementar la capacidad agroproductiva de los suelos. Mediante el análisis de componentes principales se obtuvo un conjunto mínimo de indicadores físicos, químicos y biológicos que proporcionaron información útil referente a los procesos edáficos y se integraron para determinar un índice de calidad. En el sistema de uso, caracterizado por el pasto cultivado (Pennisetum purpureum) se estableció, en parcelas experimentales, un ensayo de corta duración, en el que se comparó el laboreo tradicional y el laboreo sin inversión del prisma, con y sin aplicación de compost. En ambos sistemas de labranza se evaluó el desarrollo del cultivo e indicadores de calidad del suelo. Los resultados mostraron que del conjunto de indicadores edáficos estudiados se seleccionaron 6 en los que la capacidad de intercambio catiónico, materia orgánica, potasio intercambiable, contenido de arena, densidad aparente y biomasa de lombrices explicaron la mayor variabilidad y sirvieron de base para evaluar la calidad de estos suelos. Se establecieron valores umbrales de referencia de indicadores de calidad, que permitirán evaluar y monitorear los sistemas de uso y manejo de la región. El sistema Silvopastoril 2 resultó el de mayor índice de calidad de los suelos tomando como referencia la arboleda por su condición natural. El manejo silvopastoril influyó predominantemente en mejores resultados productivos pero las características edáficas principalmente físicas, deben definir su diseño y manejo. El sistema de pastos cultivados con Pennisetum purpureum vc CUBA CT 115, alcanzó la mayor acumulación de carbono orgánico, sin embargo, el manejo limitó su calidad física y el funcionamiento productivo del sistema. De manera general los sistemas de uso no garantizan un índice de la calidad del suelo, puesto que se ve afectado por las propiedades edáficas y las prácticas de manejo. En el ámbito biológico, las lombrices constituyeron los organismos más numerosos con predominio en los sistemas silvopastoriles y arboleda. Los valores superiores de densidad y biomasa de oligoquetos y mayor diversidad de otros individuos de la macrofauna, indican que la presencia de árboles en los pastizales de gramínea potencia y diversifican las comunidades de macroinvertebrados del suelo. El sistema de labranza sin inversión del prisma propicia una mejor calidad física del suelo, manteniendo el carbono e incrementando los rendimientos del Penisetum purpureum cv CUBA CT 115. La labranza tradicional, a base de aradura y grada, afecta a los contenidos de materia orgánica en el corto plazo y mantiene capas compactas en el horizonte subyacente, además influye desfavorablemente al flujo del aire, agua y al desarrollo radical de los pastos. La aplicación de compost favoreció mejores resultados productivos en ambas tecnologías de manejo. Los resultados alcanzados recomiendan la implantación de tecnologías de manejo conservacionistas y la aplicación de materiales orgánicos que restituyan los elementos nutricionales requeridos por los pastos, por lo que no se justifica la continuidad del uso de prácticas tradicionales de laboreo con inversión del prisma que se realizan actualmente. ABSTRACT The soil quality is an assessment tool, which could facilitate the adaptation of management practices that promote sustainable agricultural systems. The present investigation was carried out with a participatory diagnostic in twelve rural communities from Las Tunas province in 2009, in which producers identified the critical soil quality points of region and served as a starting point to select the physical, chemical and biological variables, in order to determine on five agricultural used systems (grove, natural grass, cultivated grass and two silvopastoral systems) in La Veguita zone from municipality Las Tunas. The system grove was used as reference of natural soil properties. The natural grass is distinguished by the development of low-productivity species, however the cultivated grass is represented by Pennisetum purpureum vc CUBA CT-115, and is a contribution to the biomass banks technology, in order to use in grazing during the dry season. The silvopastoral systems are represented by Leucaena leucocephala Lam. in stripes and Panicum maximum cv. Likoni, which differ in their design, handling and mineralogical properties. The main aim of this study was to assess the quality indicators for haplic Luvisols on granitoids for designing and implementing management technologies in order to increase the agroproductive capacity of soils. A minimal set of physical, chemical and biological indicators by Principal Component Analysis was obtained, which provided some useful information regarding soil processes and their integration for determining an index of quality. In the use system, characterized for the cultivated grass (Pennisetum purpureum) a short term assay in experimental plots was established, where the traditional and prism without inversion tillage were compared with and without compost application. In both tillage systems were evaluated the crop development and soil quality indicators. The results showed that the studied soil indicators set, six were selected, specifically the ones with exchangeable cationic capacity, organic matter, interchangeable potassium, sand content, bulk density and earthworm biomass, which explained the higher variability and served as the basis for evaluating the soil quality. The Reference threshold values of quality indicators for evaluating and monitoring the use and management systems from the region were established. The silvopastoral system 2 had the highest quality soil index, taking of reference the grove system for its natural condition. The silvopastoral management influenced on better productive results, but the soil characteristics, particularly the physical properties to be defined its design and management. However, the cultivated grass system with Pennisetum purpureum vc CUBA CT 115, reached the greatest accumulation of organic carbon. However, the management limited its physical quality and productive performance of the system. In addition, the use systems do not guarantee an index of soil quality, since it is affected by soil properties and management practices. From the biological aspect, the earthworms are the most numerous organisms on the silvopastoral systems and grove. The higher values of oligochaetes biomass and density and the greater diversity of other organisms from macrofauna indicate that the tree presence on the pasture grasses allows enhancing and diversifying soil macro invertebrate communities. The non-inversion prism tillage system provides a better physical quality of soil, maintaining the carbon content and increasing the yields of Penisetum purpureum vc CUBA CT 115. The traditional tillage, using the plowing and harrowing affects the organic matter content in a short term and keeps on compact layers of underlying horizon, and adversely affects the air and water flow, and pasture radical development. The compost application favored the best production results in both management technologies. The results obtained recommend the implementation of conservation management technologies and the application of organic materials that restore the nutritional elements required by the pasture, so it does not justify the continued use of traditional tillage practices with prism investment that are currently being made.

Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills

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

Measurement of plasma electron density generated in an experiment of laser shock processing, utilizing the H­α­-line

In this work we have realized plasma diagnosis produced by Laser (LPP), by means of emission spectroscopy in a Laser Shock Processing (LSP). The LSP has been proposed as an alternative technology, competitive with classical surface treatments. The ionic species present in the plasma together with electron density and its temperature provide significant indicators of the degree of surface effect of the treated material. In order to analyze these indicators, we have realized spectroscopic studies of optical emission in the laser-generated plasmas in different situations. We have worked focusing on an aluminum sample (Al2024) in air and/or in LSP conditions (water flow) a Q-switched laser of Nd:YAG (λ = 1.06 μm, 10 ns of pulse duration, running at 10 Hz repetition rate). The pulse energy was set at 2,5 J per pulse. The electron density has been measured using, in every case, the Stark broadening of H Balmer α line (656.27 nm). In the case of the air, this measure has been contrasted with the value obtained with the line of 281.62 nm of Al II. Special attention has been paid to the self-absorption of the spectral lines used. The measures were realized with different delay times after the pulse of the laser (1–8 μs) and with a time window of 1 μs. In LSP the electron density obtained was between 1017 cm−3 for the shortest delays (4–6 μs), and 1016 cm−3 for the greatest delays (7,8 μs).

La implementación arquitectónica de los acristalamientos activos con agua circulante, y su contribución en edificios de consumo de energía casi nulo

La presente Tesis Doctoral evalúa la contribución de una fachada activa, constituida por acristalamientos con circulación de agua, en el rendimiento energético del edificio. Con especial énfasis en la baja afección sobre su imagen, su integración ha de favorecer la calificación del edificio con el futuro estándar de Edificio de consumo de Energía Casi Nulo (EECN). El propósito consiste en cuantificar su aportación a limitar la demanda de climatización, como solución de fachada transparente acorde a las normas de la energía del 2020. En el primer capítulo se introduce el planteamiento del problema. En el segundo capítulo se desarrollan la hipótesis y el objetivo fundamental de la investigación. Para tal fin, en el tercer capítulo, se revisa el estado del arte de la tecnología y de la investigación científica, mediante el análisis de la literatura de referencia. Se comparan patentes, prototipos, sistemas comerciales asimilables, investigaciones en curso en Universidades, y proyectos de investigación y desarrollo, sobre envolventes que incorporan acristalamientos con circulación de agua. El método experimental, expuesto en el cuarto capítulo, acomete el diseño, la fabricación y la monitorización de un prototipo expuesto, durante ciclos de ensayos, a las condiciones climáticas de Madrid. Esta fase ha permitido adquirir información precisa sobre el rendimiento del acristalamiento en cada orientación de incidencia solar, en las distintas estaciones del año. En paralelo, se aborda el desarrollo de modelos teóricos que, mediante su asimilación a soluciones multicapa caracterizadas en las herramientas de simulación EnergyPlus y IDA-ICE (IDA Indoor Climate and Energy), reproducen el efecto experimental. En el quinto capítulo se discuten los resultados experimentales y teóricos, y se analiza la respuesta del acristalamiento asociado a un determinado volumen y temperatura del agua. Se calcula la eficiencia en la captación de la radiación y, mediante la comparativa con un acristalamiento convencional, se determina la reducción de las ganancias solares y las pérdidas de energía. Se comparan el rendimiento del acristalamiento, obtenido experimentalmente, con el ofrecido por paneles solares fototérmicos disponibles en el mercado. Mediante la traslación de los resultados experimentales a casos de células de tamaño habitable, se cuantifica la afección del acristalamiento sobre el consumo en refrigeración y calefacción. Diferenciando cada caso por su composición constructiva y orientación, se extraen conclusiones sobre la reducción del gasto en climatización, en condiciones de bienestar. Posteriormente, se evalúa el ahorro de su incorporación en un recinto existente, de construcción ligera, localizado en la Escuela de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Mediante el planteamiento de escenarios de rehabilitación energética, se estima su compatibilidad con un sistema de climatización mediante bomba de calor y extracción geotérmica. Se describe el funcionamiento del sistema, desde la perspectiva de la operación conjunta de los acristalamientos activos e intercambio geotérmico, en nuestro clima. Mediante la parametrización de sus funciones, se estima el beneficio adicional de su integración, a partir de la mejora del rendimiento de la bomba de calor COP (Coefficient of Performance) en calefacción, y de la eficiencia EER (Energy Efficiency Ratio) en refrigeración. En el recinto de la ETSAM, se ha analizado la contribución de la fachada activa en su calificación como Edificio de Energía Casi Nula, y estudiado la rentabilidad económica del sistema. En el sexto capítulo se exponen las conclusiones de la investigación. A la fecha, el sistema supone alta inversión inicial, no obstante, genera elevada eficiencia con bajo impacto arquitectónico, reduciéndose los costes operativos, y el dimensionado de los sistemas de producción, de mayor afección sobre el edificio. Mediante la envolvente activa con suministro geotérmico no se condena la superficie de cubierta, no se ocupa volumen útil por la presencia de equipos emisores, y no se reduce la superficie o altura útil a base de reforzar los aislamientos. Tras su discusión, se considera una alternativa de valor en procesos de diseño y construcción de Edificios de Energía Casi Nulo. Se proponen líneas de futuras investigación cuyo propósito sea el conocimiento de la tecnología de los acristalamientos activos. En el último capítulo se presentan las actividades de difusión de la investigación. Adicionalmente se ha proporcionado una mejora tecnológica a las fachadas activas existentes, que ha derivado en la solicitud de una patente, actualmente en tramitación. ABSTRACT This Thesis evaluates the contribution of an active water flow glazing façade on the energy performance of buildings. Special emphasis is made on the low visual impact on its image, and the active glazing implementation has to encourage the qualification of the building with the future standard of Nearly Zero Energy Building (nZEB). The purpose is to quantify the façade system contribution to limit air conditioning demand, resulting in a transparent façade solution according to the 2020 energy legislation. An initial approach to the problem is presented in first chapter. The second chapter develops the hypothesis and the main objective of the research. To achieve this purpose, the third chapter reviews the state of the art of the technology and scientific research, through the analysis of reference literature. Patents, prototypes, assimilable commercial systems, ongoing research in other universities, and finally research and development projects incorporating active fluid flow glazing are compared. The experimental method, presented in fourth chapter, undertakes the design, manufacture and monitoring of a water flow glazing prototype exposed during test cycles to weather conditions in Madrid. This phase allowed the acquisition of accurate information on the performance of water flow glazing on each orientation of solar incidence, during different seasons. In parallel, the development of theoretical models is addressed which, through the assimilation to multilayer solutions characterized in the simulation tools EnergyPlus and IDA-Indoor Climate and Energy, reproduce the experimental effect. Fifth chapter discusses experimental and theoretical results focused to the analysis of the active glazing behavior, associated with a specific volume and water flow temperature. The efficiency on harvesting incident solar radiation is calculated, and, by comparison with a conventional glazing, the reduction of solar gains and energy losses are determined. The experimental performance of fluid flow glazing against the one offered by photothermal solar panels available on the market are compared. By translating the experimental and theoretical results to cases of full-size cells, the reduction in cooling and heating consumption achieved by active fluid glazing is quantified. The reduction of energy costs to achieve comfort conditions is calculated, differentiating each case by its whole construction composition and orientation. Subsequently, the saving of the implementation of the system on an existing lightweight construction enclosure, located in the School of Architecture at the Polytechnic University of Madrid (UPM), is then calculated. The compatibility between the active fluid flow glazing and a heat pump with geothermal heat supply system is estimated through the approach of different energy renovation scenarios. The overall system operation is described, from the perspective of active glazing and geothermal heat exchange combined operation, in our climate. By parameterization of its functions, the added benefit of its integration it is discussed, particularly from the improvement of the heat pump performance COP (Coefficient of Performance) in heating and efficiency EER (Energy Efficiency Ratio) in cooling. In the case study of the enclosure in the School of Architecture, the contribution of the active glazing façade in qualifying the enclosure as nearly Zero Energy Building has been analyzed, and the feasibility and profitability of the system are studied. The sixth chapter sets the conclusions of the investigation. To date, the system may require high initial investment; however, high efficiency with low architectural impact is generated. Operational costs are highly reduced as well as the size and complexity of the energy production systems, which normally have huge visual impact on buildings. By the active façade with geothermal supply, the deck area it is not condemned. Useful volume is not consumed by the presence of air-conditioning equipment. Useful surface and room height are not reduced by insulation reinforcement. After discussion, water flow glazing is considered a potential value alternative in nZEB design and construction processes. Finally, this chapter proposes future research lines aiming to increase the knowledge of active water flow glazing technology. The last chapter presents research dissemination activities. Additionally, a technological improvement to existing active facades has been developed, which has resulted in a patent application, currently in handling process.

Thematic Issue on the Hydrological Effects of the Vegetation-Soil Complex

Peer reviewed

High Expression of the Tonoplast Aquaporin ZmTIP1 in Epidermal and Conducting Tissues of Maize1

Aquaporins are integral membrane proteins of the tonoplast and the plasma membrane that facilitate the passage of water through these membranes. Because of their potentially important role in regulating water flow in plants, studies documenting aquaporin gene expression in specialized tissues involved in water and solute transport are important. We used in situ hybridization to examine the expression pattern of the tonoplast aquaporin ZmTIP1 in different organs of maize (Zea mays L.). This tonoplast water channel is highly expressed in the root epidermis, the root endodermis, the small parenchyma cells surrounding mature xylem vessels in the root and the stem, phloem companion cells and a ring of cells around the phloem strand in the stem and the leaf sheath, and the basal endosperm transfer cells in developing kernels. We postulate that the high level of expression of ZmTIP1 in these tissues facilitates rapid flow of water through the tonoplast to permit osmotic equilibration between the cytosol and the vacuolar content, and to permit rapid transcellular water flow through living cells when required.

Modelagem de um secador solar de produtos agrícolas com sistema de armazenagem de energia térmica

Nos países em desenvolvimento, como o Brasil, a secagem de produtos agrícolas com uso de secador solar representa uma alternativa promissora de baixo custo, reduzindo perdas e agregando valor aos produtos. Porém, devido à natureza periódica da radiação solar e das condições do tempo, nem sempre é viável sua utilização. Dessa forma, o objetivo do trabalho foi a modelagem de um sistema auxiliar de armazenagem de energia térmica (SAET) em um secador solar, cuja finalidade é armazenar energia durante o dia para ser utilizada conforme necessário. Com base em registros de temperatura e umidade relativa, ambas do ar, de um secador solar, foi feito um estudo da termodinâmica dos processos envolvidos, a fim de propor meios para o dimensionamento do SAET. Foram explorados a estimativa do fluxo de massa de ar no secador, a modelagem da temperatura em função da radiação, e o dimensionamento para diferentes modos de operação do SAET, considerando o sistema ideal. Este dimensionamento tratou tanto do caso de fornecimento contínuo de fluxo de água preaquecida, como de uso de automação para controlar o fluxo. A estimativa de fluxo de ar no secador se aproximou de valores típicos encontrados na literatura. O dimensionamento do sistema, embora considerado ideal, mostra que a utilização do SAET melhora o desempenho do secador, servindo como parâmetro para melhor compreender o comportamento das variáveis durante seu funcionamento.

Estudo fenomenológico e numérico do escoamento estratificado óleo-água ondulado e com mistura na interface

Escoamentos bifásicos estão presentes em diversos processos naturais e industriais, como na indústria de petróleo. Podem apresentar-se em diferentes configurações topológicas, ou, padrões de escoamento, entre eles o escoamento estratificado ondulado e o estratificado com mistura na interface. Os escoamentos bifásicos estratificados óleo-água têm sido utilizados como uma forma conveniente de evitar a formação de emulsões de água em óleo em oleodutos e possuem uma ocorrência comum em poços de petróleo direcionais. Quando a onda interfacial ultrapassa determinado limite geométrico e cinemático, surge o fenômeno do entranhamento de gotas, representado por misturas entre as fases junto à interface que promovem um aumento na queda de pressão. Modelos têm sido apresentados pela literatura na tentativa de descrever o fenômeno do entranhamento de gotas. Neste trabalho é apresentada uma nova proposta de modelagem matemática unidimensional para o entranhamento de gotas com o objetivo de melhorar a previsão dos parâmetros envolvidos, em especial, da fração volumétrica de óleo e da queda de pressão bifásica. Também foi utilizada simulação numérica computacional, CFD (Computational Fluid Dynamics), com o uso de software comercial para obtenção dos valores dos parâmetros do escoamento estratificado ondulado óleo-água (fração volumétrica de óleo, queda de pressão, amplitude e comprimento da onda interfacial). Os resultados da modelagem fenomenológica para entranhamento e os de CFD foram comparados com bancos de dados experimentais. Os resultados em CFD mostram concordância com os resultados experimentais, tanto na análise qualitativa das propriedades geométricas das ondas interfaciais, quanto na comparação direta com os dados para fração volumétrica e queda de pressão. Os resultados numéricos da modelagem fenomenológica para fatores de entranhamento apresentam boa concordância com dados da literatura.

Análise do aproveitamento múltiplo do reservatório de Barra Bonita - SP, através da aplicação de técnica de programação linear associada a modelo de rede de fluxo

O objeto deste trabalho é a análise do aproveitamento múltiplo do reservatório de Barra Bonita, localizado na confluência entre os rios Piracicaba e Tietê, no estado de São Paulo e pertencente ao chamado sistema Tietê-Paraná. Será realizada a otimização da operação do reservatório, através de programação linear, com o objetivo de aumentar a geração de energia elétrica, através da maximização da vazão turbinada. Em seguida, a partir dos resultados da otimização da geração de energia, serão utilizadas técnicas de simulação computacional, para se obter índices de desempenho conhecidos como confiabilidade, resiliência e vulnerabilidade, além de outros fornecidos pelo próprio modelo de simulação a ser utilizado. Estes índices auxiliam a avaliação da freqüência, magnitude e duração dos possíveis conflitos existentes. Serão analisados os possíveis conflitos entre a navegação, o armazenamento no reservatório, a geração de energia e a ocorrência de enchentes na cidade de Barra Bonita, localizada a jusante da barragem.

Investigação de aquífero fraturado para entendimento de fluxo e transporte de contaminantes clorados: estudo de caso em Valinhos, SP

Casos de contaminação de aquíferos fraturados são bastante complexos, tendo em vista a heterogeneidade das redes de fraturas, e no geral, sua investigação demanda a utilização de técnicas pouco usuais, como por exemplo o imageamento acústico e a perfilagem de velocidade de fluxo de água. Na área de estudo, localizada em Valinhos/SP, o uso inadequado de solventes organoclorados no passado ocasionou a contaminação do aquífero raso em duas áreas, e o aparecimento de concentrações no aquifero profundo levaram a condução do atual trabalho, que teve como principal objetivo a elaboração de um modelo conceitual de fluxo de água e transporte de contaminantes no aquífero cristalino. Previamente à investigação do aquífero fraturado, foi realizada uma análise de trabalhos existentes, incluindo a interpretação de lineamentos, levantamentos geológicos além de perfilagens geofísicas de superfície. Em cada área investigada, foi realizada a perfuração de um poço profundo e aplicadas as técnicas de perfilagens de raios gama, cáliper, flowmeter, imageamento acústico, além da filmagem do poço e realização de ensaios hidráulicos nos dois pontos perfurados. Para caracterização química do aquífero fraturado, foram realizadas coletas de água subterrânea em intervalos selecionados com a utilização de obturadores pneumáticos. As cargas hidráulicas medidas durante a amostragem também auxiliaram no entendimento da direção do fluxo de água. O aquífero cristalino é formado por rochas gnáissicas e se encontra bastante fraturado e intemperizado, principalmente na porção superficial da rocha (até aproximadamente 65,0 m) onde as maiores velocidades de fluxo de água também foram observadas. A rocha sã possui uma menor densidade de fraturas e predominância de minerais mais claros. As fraturas de baixo a médio angulo de mergulho (Grupo 1) são as mais frequentes em ambas as perfurações e possuem direção principal N-S a NE-SW. São observadas, no geral, exercendo grande influência sobre o fluxo de água, principalmente na porção alterada do gnaisse. Fraturas com ângulo elevado de mergulho, classificadas como Grupo 2 (paralelas à foliação) e Grupo 3 (direção NW à W), são também observadas ao longo de toda a perfuração estabelecendo a conexão hidráulica entre as fraturas do Grupo 1. Em menor proporção, são ainda verificadas fraturas com ângulos de mergulho >40 ° pertencente aos Grupos 4 (NE-SW), 5 (E-W), 6 (NW-SE) e 7 (E-W). O fluxo de água subterrânea se mostrou descendente na porção superior da rocha alterada e ascendente na porção mais profunda, possivelmente direcionando a água subterrânea para a região de transição da rocha mais alterada para a rocha sã (entre 61 a 65 m de profundidade). Apesar do fluxo ascendente em profundidade, o bombeamento de poços tubulares existentes no entorno ao longo dos anos, favoreceu a migração dos contaminantes para porções mais profundas. Os contaminantes observados no poço tubular P6 possuem maior semelhança com os contaminantes observados na Área 2, e ambos estão localizados entre lineamentos NW-SE, indicando uma possível influência dos lineamentos no controle sobre o fluxo de água. No entanto, para entendimento do transporte dos contaminantes em área, é necessário um adensamento da rede de monitoramento, levando em consideração a heterogeneidade do meio e as incertezas relacionadas à extrapolação dos dados para áreas não investigadas.