Wedges and plate-bandes: mechanical theories after De la Hire

Plate-bandes are straight masonry arches (they are called, also, flat arches or lintel arches). Ideally they have the surfaces of extrados and intrados plane and horizontal. The stones or bricks have radial joints converging usually in one centre. The voussoirs have the form of wedges and in French they are called "claveaux". A plate-bande is, in fact, a lintel made of several stones and the proportions of lintels and plate-bandes are similar. Proportions of plate-bandes, that is the relationship between the thickness t and the span s (t/s)varies, typically between 1/4–1/3 in thick plate-bandes, and is less than 1/20 in the most slender ones. A ratio of circa 1/8 was usual in the 18th Century and follows a simple geometrical rule: the centre form with the intrados an equilateral triangle and the plate-bande should contain an arc of circle. The joints are usually plane, but in some cases present a «rebated» or «stepped» form. Plate-bandes exert an inclined thrust as any masonry arch. This thrust is usually very high and it requires either massive buttresses, or to be built in the middle of thick walls. Master builders and architects have tried since antiquity to calculate the abutment necessary for any arch. A modern architect or engineer will measure the arch thrust in units of force, kN or tons. Traditionally, the thrust has been measured as the size of the buttresses to resist it safely. Old structural rules, then, addressed the design problem establishing a relationship between the span and the depth of the buttress. These were empirical rules, particular for every type of arch or structure in every epoch. Thus, the typical gothic buttress is 1/4 of the vault span, but a Renaissance or baroque barrel vault will need more than 1/3 of the span. A plate-bande would require more than one half of the span; this is precisely the rule cited by the French engineer Gautier, who tried unsuccessfully to justify it by static reasons. They were used, typically, to form the lintels of windows or doors (1-2 m, typically); in Antiquity they were used, also, though rarely, at the gates of city walls or in niches (ca. 2 m, reaching 5.2 m). Plate-bandes may show particular problems: it is not unusual that some sliding of the voussoirs can be observed, particularly in thick plate-bandes. The stepped joints on Fig. 1, left, were used to avoid this problem. There are other «hidden» methods, like iron cramps or the use of stone wedges, etc. In seismic zones these devices were usual. Another problem relates to the deformation; a slight yielding of the abutments, or even the compression of the mortar joints, may lead to some cracking and the descent of the central keystone. Even a tiny descent will convert the original straight line of the intrados in a broken line with a visible «kink» or angle in the middle. Of course, both problems should be avoided. Finally, the wedge form of the voussoirs lead to acute angles in the stones and this can produce partial fractures; this occurs usually at the inferior border of the springers at the abutments. It follows, that to build a successful plate-bande is not an easy matter. Also, the structural study of plate-bandes is far from simple, and mechanics and geometry are related in a particular way. In the present paper we will concentrate on the structural aspects and their constructive consequences, with a historical approach. We will outline the development of structural analysis of plate-bandes from ca. 1700 until today. This brief history has a more than purely academic interest. Different approaches and theories pointed to particular problem, and though the solution given may have been incorrect, the question posed was often pertinent. The paper ends with the application of modern Limit Analysis of Masonry Structures, developed mainly by professor Heyman in the last fifty years. The work aims, also, to give some clues for the actual architect and engineer involved in the analysis or restoration of masonry buildings.

Problemas de interacción suelo estructura en cimentaciones y muros de contención. Influencia de los fenómenos de despegue y deslizamiento

Los terremotos constituyen una de las más importantes fuentes productoras de cargas dinámicas que actúan sobre las estructuras y sus cimentaciones. Cuando se produce un terremoto la energía liberada genera movimientos del terreno en forma de ondas sísmicas que pueden provocar asientos en las cimentaciones de los edificios, empujes sobre los muros de contención, vuelco de las estructuras y el suelo puede licuar perdiendo su capacidad de soporte. Los efectos de los terremotos en estructuras constituyen unos de los aspectos que involucran por su condición de interacción sueloestructura, disciplinas diversas como el Análisis Estructural, la Mecánica de Suelo y la Ingeniería Sísmica. Uno de los aspectos que han sido poco estudiados en el cálculo de estructuras sometidas a la acciones de los terremotos son los efectos del comportamiento no lineal del suelo y de los movimientos que pueden producirse bajo la acción de cargas sísmicas, tales como posibles despegues y deslizamientos. En esta Tesis se estudian primero los empujes sísmicos y posibles deslizamientos de muros de contención y se comparan las predicciones de distintos tipos de cálculos: métodos pseudo-estáticos como el de Mononobe-Okabe (1929) con la contribución de Whitman-Liao (1985), y formulaciones analíticas como la desarrollada por Veletsos y Younan (1994). En segundo lugar se estudia el efecto del comportamiento no lineal del terreno en las rigideces de una losa de cimentación superficial y circular, como la correspondiente a la chimenea de una Central Térmica o al edificio del reactor de una Central Nuclear, considerando su variación con frecuencia y con el nivel de cargas. Finalmente se estudian los posibles deslizamientos y separación de las losas de estas dos estructuras bajo la acción de terremotos, siguiendo la formulación propuesta por Wolf (1988). Para estos estudios se han desarrollado una serie de programas específicos (MUROSIS, VELETSOS, INTESES y SEPARSE) cuyos listados y detalles se incluyen en los Apéndices. En el capítulo 6 se incluyen las conclusiones resultantes de estos estudios y recomendaciones para futuras investigaciones. ABSTRACT Earthquakes constitute one of the most important sources of dynamic loads that acting on structures and foundations. When an earthquake occurs the liberated energy generates seismic waves that can give rise to structural vibrations, settlements of the foundations of buildings, pressures on retaining walls, and possible sliding, uplifting or even overturning of structures. The soil can also liquefy losing its capacity of support The study of the effects of earthquakes on structures involve the use of diverse disciplines such as Structural Analysis, Soil Mechanics and Earthquake Engineering. Some aspects that have been the subject of limited research in relation to the behavior of structures subjected to earthquakes are the effects of nonlinear soil behavior and geometric nonlinearities such as sliding and uplifting of foundations. This Thesis starts with the study of the seismic pressures and potential displacements of retaining walls comparing the predictions of two types of formulations and assessing their range of applicability and limitations: pseudo-static methods as proposed by Mononobe-Okabe (1929), with the contribution of Whitman-Liao (1985), and analytical formulations as the one developed by Veletsos and Younan (1994) for rigid walls. The Thesis deals next with the effects of nonlinear soil behavior on the dynamic stiffness of circular mat foundations like the chimney of a Thermal Power Station or the reactor building of a Nuclear Power Plant, as a function of frequency and level of forces. Finally the seismic response of these two structures accounting for the potential sliding and uplifting of the foundation under a given earthquake are studied, following an approach suggested by Wolf (1988). In order to carry out these studies a number of special purposes computer programs were developed (MUROSIS, VELETSOS, INTESES and SEPARSE). The listing and details of these programs are included in the appendices. The conclusions derived from these studies and recommendations for future work are presented in Chapter 6.

La barrera del análisis estructural y la representación gráfica en el desarrollo de los proyectos arquitectónicos: el caso de la Ópera de Sidney

En numerosas ocasiones a lo largo de la historia la imaginación de los creadores ha ido por delante de las posibilidades técnicas de cada momento. Así, muchas de estas nuevas ideas han requerido largos periodos de tiempo para materializarse como realidad construida, hasta que el desarrollo tecnológico e industrial hubo alcanzado un grado de madurez suficiente. En el campo de la arquitectura, estas limitaciones técnicas se han ido acotando paulatinamente hasta desembocar en la situación actual en la que cualquier planteamiento formal puede ser representado gráficamente y analizado desde un punto de vista estructural, superádose de este modo la barrera existente históricamente en el tratamiento de las formas. A lo largo del presente tesis doctoral se analiza cómo la formulación del Método de los Elementos Finitos en la década de los cincuenta y las curvas de Bézier en la década de los sesenta del siglo pasado y la posterior generalización de los ordenadores personales y de los programas informáticos asociados (C.A.D. y F.E.M. principalmente) en los estudios de arquitectura e ingeniería a partir de la década de los noventa, posibilitó el desarrollo de cualquier propuesta arquitectónica, por compleja que ésta fuese, provocando una verdadera revolución a nivel formal en el mundo de la arquitectura, especialmente en el campo de la edificación singular o icónica. Se estudia este proceso a través de ocho edificios; cuatro anteriores y otros tantos posteriores a la desaparición de la barrera anteriormente referida, establecida de forma simbólica en la década de los años ochenta del siglo XX: Frontón de Recoletos en Madrid, Edificio Seagram en Nueva York, Habitat ’67 en Montreal, Ópera de Sídney, museo Guggenheim de Bilbao, ampliación del Victoria & Albert Museum en Londres, tanatorio “Meiso no Mori” en Gifu y nueva sede de la CCTV en Pekín. De entre ellos, la Ópera de Sídney, obra del arquitecto danés Jørn Utzon, condensa gran parte de los aspectos relevantes investigados en relación a la influencia que los métodos de representación y análisis estructural ejercen en la concepción y construcción de las obras de arquitectura. Por este motivo y por considerarse un hito de la arquitectura a nivel global se toma como caso de estudio. La idea general del edificio, que data de 1956, se enmarca en una época inmediatamente anterior a la del desarrollo científico y tecnológico anteriormente referido. Esta ausencia de herramientas de diseño disponibles acordes a la complejidad formal de la propuesta planteada condicionó enormente la marcha del proyecto, dilatándose dramáticamente en el tiempo y disparándose su coste hasta el punto de que el propio arquitecto danés fue separado de las obras antes de su conclusión. Además, la solución estructural finalmente construida de las cubiertas dista mucho de la prevista por Utzon inicialmente. Donde él había imaginado unas finas láminas de hormigón flotando sobre el paisaje se materializó una estructura más pesada, formada por costillas pretensadas de hormigón con unas secciones notablemente mayores. La forma también debió ser modificada de modo ostensible respecto a la propuesta inicial. Si este edificio se pretendiese construir en la actualidad, con toda seguridad el curso de los acontecimientos se desarrollaría por senderos muy diferentes. Ante este supuesto, se plantean las siguientes cuestiones: ¿sería posible realizar un análisis estructural de la cubierta laminar planteada por Utzon inicialmente en el concurso con las herramientas disponibles en la actualidad?; ¿sería dicha propuesta viable estructuralmente?. A lo largo de las siguientes páginas se pretende dar respuesta a estas cuestiones, poniendo de relieve el impacto que los ordenadores personales y los programas informáticos asociados han tenido en la manera de concebir y construir edificios. También se han analizado variantes a la solución laminar planteada en la fase de concurso, a través de las cuales, tratando en la medida de lo posible de ajustarse a las sugerencias que Ove Arup y su equipo realizaron a Jørn Utzon a lo largo del dilatado proceso de proyecto, mejorar el comportamiento general de la estructura del edificio. Por último, se ha pretendido partir de cero y plantear, desde una perspectiva contemporánea, posibles enfoques metodológicos aplicables a la búsqueda de soluciones estructurales compatibles con la forma propuesta originalmente por Utzon para las cubiertas de la Ópera de Sídney y que nunca llegó a ser construida (ni analizada), considerando para ello los medios tecnológicos, científicos e industriales disponibles en la actualidad. Abstract On numerous occasions throughout history the imagination of creators has gone well beyond of the technical possibilities of their time. Many new ideas have required a long period to materialize, until the technological and industrial development had time to catch up. In the architecture field, these technical limitations have gradually tightened leading to the current situation in which any formal approach can be represented and analyzed from a structural point of view, thus concluding that the structural analysis and the graphical representation’s barrier in the development of architectural projects has dissappeared. Throughout the following pages it is examined how the development of the Finite Element Method in the fifties and the Bezier curves in the sixties of the last century and the subsequent spread of personal computers and specialized software in the architectural and engineering offices from the nineties, enabled the development of any architectural proposal independently of its complexity. This has caused a revolution at a formal level in architecture, especially in the field of iconic building. This process is analyzed through eight buildings, four of them before and another four after the disappearance of the above mentioned barrier, roughly established in the eighties of the last century: Fronton Recoletos in Madrid, Seagram Building in New York Habitat '67 in Montreal, Sydney Opera House, Guggenheim Museum Bilbao, Victoria & Albert Museum extension in London, Crematorium “Meiso no Mori” in Gifu and the new CCTV headquarters in Beijing. Among them, the Sydney Opera House, designed by Danish architect Jørn Utzon, condenses many of the main aspects previously investigated regarding the impact of representation methods and structural analysis on the design and construction of architectural projects. For this reason and also because it is considered a global architecture milestone, it is selected as a case study. The building’s general idea, which dates from 1956, is framed at a time immediately preceding the above mentioned scientific and technological development. This lack of available design tools in accordance with the proposal’s formal complexity conditioned enormously the project’s progress, leading to a dramatic delay and multiplying the final budget disproportionately to the point that the Danish architect himself was separated from the works before completion. Furthermore, the built structure differs dramatically from the architect’s initial vision. Where Utzon saw a thin concrete shell floating over the landscape a heavier structure was built, consisting of prestressed concrete ribs with a significantly greater size. The geometry also had to be modified. If this building were to built today, the course of events surely would walk very different paths. Given this assumption, a number of questions could then be formulated: Would it be possible to perform a structural analysis of Utzon’s initially proposed competition-free-ways roof’s geometry with the tools available nowadays?; Would this proposal be structurally feasable?. Throughout the following pages it is intended to clarify this issues, highlighting personal computers and associated software’s impact in building design and construction procedures, especially in the field of iconic building. Variants have also been analyzed for the laminar solution proposed in the competition phase, through which, trying as far as possible to comply with the suggestions that Ove Arup and his team did to Jørn Utzon along the lengthy process project, improving the overall performance of the building structure. Finally, we have started from scratch and analyzed, from a contemporary perspective, possible structural solutions compatible with Utzon’s Opera House’s original geometry and vision –proposal that was never built (nor even analyzed)-, taking into consideration the technological, scientific and industrial means currently available.

Knowledge Discovery in Spectral Data by Means of Complex Networks

In the last decade, complex networks have widely been applied to the study of many natural and man-made systems, and to the extraction of meaningful information from the interaction structures created by genes and proteins. Nevertheless, less attention has been devoted to metabonomics, due to the lack of a natural network representation of spectral data. Here we define a technique for reconstructing networks from spectral data sets, where nodes represent spectral bins, and pairs of them are connected when their intensities follow a pattern associated with a disease. The structural analysis of the resulting network can then be used to feed standard data-mining algorithms, for instance for the classification of new (unlabeled) subjects. Furthermore, we show how the structure of the network is resilient to the presence of external additive noise, and how it can be used to extract relevant knowledge about the development of the disease.

Application of a dynamic event tree methodolgy to steam generator tube rupture sequences

The Integrated Safety Assessment (ISA) methodology, developed by the Spanish Nuclear Safety Council (CSN), has been applied to a thermo-hydraulical analysis of a Westinghouse 3-loop PWR plant by means of the dynamic event trees (DET) for Steam Generator Tube Rupture (SGTR) sequences. The ISA methodology allows obtaining the SGTR Dynamic Event Tree taking into account the operator actuation times. Simulations are performed with SCAIS (Simulation Code system for Integrated Safety Assessment), which includes a dynamic coupling with MAAP thermal hydraulic code. The results show the capability of the ISA methodology and SCAIS platform to obtain the DET of complex sequences.

Aplicación de auto-corrección continua para practicas de análisis de estructuras

The adaptation to the European Higher Educational area is an opportunity to incorporate on-line methods of education assessment in the field of the "Structural Analysis". This paper promotes the intensive use of MOODLE platform of the Technical University of Madrid, to implement the Information and Communication Technology program in this area. This article summarizes the educational experience achieved during the last courses though the use of a new software tool for continuous self-testing by the students. Individualized test are achieved by randomized variable data for each student. Several benefits for the educational purposes have arisen. Firstly, a considerable speeding of the evaluation process, and more than this, a massive input by the students. Certainly, the use of this tool can be very useful for the learning process and therefore for the improvement of the student’s skills and abilities.

Instability and topology bifurcations on a hemisphere-cylinder at high angle of attack

La configuración de un cilindro acoplado a una semi-esfera, conocida como ’hemispherecylinder’, se considera como un modelo simplificado para numerosas aplicaciones industriales tales como fuselaje de aviones o submarinos. Por tanto, el estudio y entendimiento de los fenómenos fluidos que ocurren alrededor de dicha geometría presenta gran interés. En esta tesis se muestra la investigación del origen y evolución de los, ya conocidos, patrones de flujo (burbuja de separación, vórtices ’horn’ y vórtices ’leeward’) que se dan en esta geometría bajo condiciones de flujo separado. Para ello se han llevado a cabo simulaciones numéricas (DNS) y ensayos experimentales usando la técnica de Particle Image Velocimetry (PIV), para una variedad de números de Reynolds (Re) y ángulos de ataque (AoA). Se ha aplicado sobre los resultados numéricos la teoría de puntos críticos obteniendo, por primera vez para esta geometría, un diagrama de bifurcaciones que clasifica los diferentes regímenes topológicos en función del número de Reynolds y del ángulo de ataque. Se ha llevado a cabo una caracterización completa sobre el origen y la evolución de los patrones estructurales característicos del cuerpo estudiado. Puntos críticos de superficie y líneas de corriente tridimensionales han ayudado a describir el origen y la evolución de las principales estructuras presentes en el flujo hasta alcanzar un estado de estabilidad desde el punto de vista topológico. Este estado se asocia con el patrón de los vórtices ’horn’, definido por una topología característica que se encuentra en un rango de números de Reynolds muy amplio y en regímenes compresibles e incompresibles. Por otro lado, con el objeto de determinar las estructuras presentes en el flujo y sus frecuencias asociadas, se han usado distintas técnicas de análisis: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) y análisis de Fourier. Dichas técnicas se han aplicado sobre los datos experimentales y numéricos, demostrándose la buena concordancia entre ambos resultados. Finalmente, se ha encontrado en ambos casos, una frecuencia dominante asociada con una inestabilidad de los vórtices ’leeward’. ABSTRACT The hemisphere-cylinder may be considered as a simplified model for several geometries found in industrial applications such as aircrafts’ fuselages or submarines. Understanding the complex flow phenomena that surrounds this particular geometry is therefore of major industrial interest. This thesis presents an investigation of the origin and evolution of the complex flow pattern; i.e. separation bubbles, horn vortices and leeward vortices, around the hemisphere-cylinder under separated flow conditions. To this aim, threedimensional Direct Numerical Simulations (DNS) and experimental tests, using Particle Image Velocimetry (PIV) techniques, have been performed for a variety of Reynolds numbers (Re) and angles of attack (AoA). Critical point theory has been applied to the numerical simulations to provide, for the first time for this geometry, a bifurcation diagram that classifies the different flow topology regimes as a function of the Reynolds number and the angle of attack. A complete characterization about the origin and evolution of the complex structural patterns of this geometry has been put in evidence. Surface critical points and surface and volume streamlines were able to describe the main flow structures and their strong dependence with the flow conditions up to reach the structurally stable state. This state was associated with the pattern of the horn vortices, found on ranges from low to high Reynolds numbers and from incompressible to compressible regimes. In addition, different structural analysis techniques have been employed: Proper Orthogonal Decomposition (POD), Dynamic Mode Decomposition (DMD) and Fourier analysis. These techniques have been applied to the experimental and numerical data to extract flow structure information (i.e. modes and frequencies). Experimental and numerical modes are shown to be in good agreement. A dominant frequency associated with an instability of the leeward vortices has been identified in both, experimental and numerical results.

Modelos sin malla en simulación numérica de estructuras aeroespaciales

La presente Tesis Doctoral aborda la introducción de la Partición de Unidad de Bernstein en la forma débil de Galerkin para la resolución de problemas de condiciones de contorno en el ámbito del análisis estructural. La familia de funciones base de Bernstein conforma un sistema generador del espacio de funciones polinómicas que permite construir aproximaciones numéricas para las que no se requiere la existencia de malla: las funciones de forma, de soporte global, dependen únicamente del orden de aproximación elegido y de la parametrización o mapping del dominio, estando las posiciones nodales implícitamente definidas. El desarrollo de la formulación está precedido por una revisión bibliográfica que, con su punto de partida en el Método de Elementos Finitos, recorre las principales técnicas de resolución sin malla de Ecuaciones Diferenciales en Derivadas Parciales, incluyendo los conocidos como Métodos Meshless y los métodos espectrales. En este contexto, en la Tesis se somete la aproximación Bernstein-Galerkin a validación en tests uni y bidimensionales clásicos de la Mecánica Estructural. Se estudian aspectos de la implementación tales como la consistencia, la capacidad de reproducción, la naturaleza no interpolante en la frontera, el planteamiento con refinamiento h-p o el acoplamiento con otras aproximaciones numéricas. Un bloque importante de la investigación se dedica al análisis de estrategias de optimización computacional, especialmente en lo referente a la reducción del tiempo de máquina asociado a la generación y operación con matrices llenas. Finalmente, se realiza aplicación a dos casos de referencia de estructuras aeronáuticas, el análisis de esfuerzos en un angular de material anisotrópico y la evaluación de factores de intensidad de esfuerzos de la Mecánica de Fractura mediante un modelo con Partición de Unidad de Bernstein acoplada a una malla de elementos finitos. ABSTRACT This Doctoral Thesis deals with the introduction of Bernstein Partition of Unity into Galerkin weak form to solve boundary value problems in the field of structural analysis. The family of Bernstein basis functions constitutes a spanning set of the space of polynomial functions that allows the construction of numerical approximations that do not require the presence of a mesh: the shape functions, which are globally-supported, are determined only by the selected approximation order and the parametrization or mapping of the domain, being the nodal positions implicitly defined. The exposition of the formulation is preceded by a revision of bibliography which begins with the review of the Finite Element Method and covers the main techniques to solve Partial Differential Equations without the use of mesh, including the so-called Meshless Methods and the spectral methods. In this context, in the Thesis the Bernstein-Galerkin approximation is subjected to validation in one- and two-dimensional classic benchmarks of Structural Mechanics. Implementation aspects such as consistency, reproduction capability, non-interpolating nature at boundaries, h-p refinement strategy or coupling with other numerical approximations are studied. An important part of the investigation focuses on the analysis and optimization of computational efficiency, mainly regarding the reduction of the CPU cost associated with the generation and handling of full matrices. Finally, application to two reference cases of aeronautic structures is performed: the stress analysis in an anisotropic angle part and the evaluation of stress intensity factors of Fracture Mechanics by means of a coupled Bernstein Partition of Unity - finite element mesh model.

Book Review: Elastic Beams and Frames, by J. D. Renton

The book represents a very interesting example of the possibility to combine in a single publication basic theory of structures and quite advanced topics on the same subject. The author fulfills this objective in a reasonable size book, less than 400 pages divided into 15 chapters averaging 20 pages each plus 9 short appendices. A diskette is also included in the book. This diskette contains training as well practical executable programs on different aspects of structural analysis, such as cross-sections properties,general-purpose computer programs for the static, dynamic and stability analysis of simple bar structures, etc. The book figures are didactic and have been carefully drawn.

Nonlinear seismic behaviour of concrete arch bridges

Arch bridge structural solution has been known for centuries, in fact the simple nature of arch that require low tension and shear strength was an advantage as the simple materials like stone and brick were the only option back in ancient centuries. By the pass of time especially after industrial revolution, the new materials were adopted in construction of arch bridges to reach longer spans. Nowadays one long span arch bridge is made of steel, concrete or combination of these two as "CFST", as the result of using these high strength materials, very long spans can be achieved. The current record for longest arch belongs to Chaotianmen bridge over Yangtze river in China with 552 meters span made of steel and the longest reinforced concrete type is Wanxian bridge which also cross the Yangtze river through a 420 meters span. Today the designer is no longer limited by span length as long as arch bridge is the most applicable solution among other approaches, i.e. cable stayed and suspended bridges are more reasonable if very long span is desired. Like any super structure, the economical and architectural aspects in construction of a bridge is extremely important, in other words, as a narrower bridge has better appearance, it also require smaller volume of material which make the design more economical. Design of such bridge, beside the high strength materials, requires precise structural analysis approaches capable of integrating the combination of material behaviour and complex geometry of structure and various types of loads which may be applied to bridge during its service life. Depend on the design strategy, analysis may only evaluates the linear elastic behaviour of structure or consider the nonlinear properties as well. Although most of structures in the past were designed to act in their elastic range, the rapid increase in computational capacity allow us to consider different sources of nonlinearities in order to achieve a more realistic evaluations where the dynamic behaviour of bridge is important especially in seismic zones where large movements may occur or structure experience P - _ effect during the earthquake. The above mentioned type of analysis is computationally expensive and very time consuming. In recent years, several methods were proposed in order to resolve this problem. Discussion of recent developments on these methods and their application on long span concrete arch bridges is the main goal of this research. Accordingly available long span concrete arch bridges have been studied to gather the critical information about their geometrical aspects and properties of their materials. Based on concluded information, several concrete arch bridges were designed for further studies. The main span of these bridges range from 100 to 400 meters. The Structural analysis methods implemented in in this study are as following: Elastic Analysis: Direct Response History Analysis (DRHA): This method solves the direct equation of motion over time history of applied acceleration or imposed load in linear elastic range. Modal Response History Analysis (MRHA): Similar to DRHA, this method is also based on time history, but the equation of motion is simplified to single degree of freedom system and calculates the response of each mode independently. Performing this analysis require less time than DRHA. Modal Response Spectrum Analysis (MRSA): As it is obvious from its name, this method calculates the peak response of structure for each mode and combine them using modal combination rules based on the introduced spectra of ground motion. This method is expected to be fastest among Elastic analysis. Inelastic Analysis: Nonlinear Response History Analysis (NL-RHA): The most accurate strategy to address significant nonlinearities in structural dynamics is undoubtedly the nonlinear response history analysis which is similar to DRHA but extended to inelastic range by updating the stiffness matrix for every iteration. This onerous task, clearly increase the computational cost especially for unsymmetrical buildings that requires to be analyzed in a full 3D model for taking the torsional effects in to consideration. Modal Pushover Analysis (MPA): The Modal Pushover Analysis is basically the MRHA but extended to inelastic stage. After all, the MRHA cannot solve the system of dynamics because the resisting force fs(u; u_ ) is unknown for inelastic stage. The solution of MPA for this obstacle is using the previously recorded fs to evaluate system of dynamics. Extended Modal Pushover Analysis (EMPA): Expanded Modal pushover is a one of very recent proposed methods which evaluates response of structure under multi-directional excitation using the modal pushover analysis strategy. In one specific mode,the original pushover neglect the contribution of the directions different than characteristic one, this is reasonable in regular symmetric building but a structure with complex shape like long span arch bridges may go through strong modal coupling. This method intend to consider modal coupling while it take same time of computation as MPA. Coupled Nonlinear Static Pushover Analysis (CNSP): The EMPA includes the contribution of non-characteristic direction to the formal MPA procedure. However the static pushovers in EMPA are performed individually for every mode, accordingly the resulted values from different modes can be combined but this is only valid in elastic phase; as soon as any element in structure starts yielding the neutral axis of that section is no longer fixed for both response during the earthquake, meaning the longitudinal deflection unavoidably affect the transverse one or vice versa. To overcome this drawback, the CNSP suggests executing pushover analysis for governing modes of each direction at the same time. This strategy is estimated to be more accurate than MPA and EMPA, moreover the calculation time is reduced because only one pushover analysis is required. Regardless of the strategy, the accuracy of structural analysis is highly dependent on modelling and numerical integration approaches used in evaluation of each method. Therefore the widely used Finite Element Method is implemented in process of all analysis performed in this research. In order to address the study, chapter 2, starts with gathered information about constructed long span arch bridges, this chapter continuous with geometrical and material definition of new models. Chapter 3 provides the detailed information about structural analysis strategies; furthermore the step by step description of procedure of all methods is available in Appendix A. The document ends with the description of results and conclusion of chapter 4.

El lenguaje de la estructura: Mies van der Rohe y la construcción con acero y hormigón

John Summerson, en El Lenguaje Clásico de la Arquitectura, defiende que los órdenes clásicos que empleaban los arquitectos romanos para decorar sus edificios, no tienen una función estructural pero hacen expresivos a los edificios. Les hacen hablar. Arthur Schopenhauer afirma que “el destino de la Bella Arquitectura es poner de manifiesto la lucha entre el peso y la rigidez de los elementos estructurales”. Y Auguste Perret define la Arquitectura como “el arte de hacer cantar al punto de apoyo”. El objetivo de esta Tesis Doctoral es profundizar en la capacidad de expresión de la estructura. A través del estudio de las estructuras históricas, que se realiza en la primera parte de la Tesis, podemos concluir que existen tres categorías, tres maneras de expresión de la Estructura. Estructuras Vistas, que hablan, Estructuras Ocultas, que se esconden y Estructuras Ilusorias, que fingen. El Partenón y la Sainte Chapelle de París se estudian en el apartado de Estructuras Vistas. El Panteón, el Palacio de Carlos V, la Catedral de San Pablo en Londres, y otras arquitecturas renacentistas y romanas, en el apartado de Estructuras Ocultas. Y como Estructuras Ilusorias, la Alhambra (Dos Hermanas, Comares, el Patio de los Leones), Santa Sofía, y otras arquitecturas del barroco italiano. En la segunda parte de la Tesis se analiza la obra completa de Mies van der Rohe desde el punto de vista de esas tres categorías. Lo visto, lo oculto y lo ilusorio en las estructuras de Mies. Se estudia la evolución en la estructura de la casa, desde las primeras casas con Estructura Oculta de muro de ladrillo, hasta las últimas casas con Estructura Vista y columnas adelantadas, pasando por una etapa intermedia de casas con estructura mixta de muro de ladrillo en la que el acero comienza a hacer su aparición. Se analizan también seis soluciones estructurales en los Bloques y en las Torres: Estructura Vista reverberante, expresiva o inexpresiva vs Estructura Oculta con vestido horizontal, vestido reticular o vestido vertical. Y por último, se estudian las tres soluciones de Estructura Ilusoria que emplea Mies en sus Pabellones. La metodología de trabajo que se ha empleado se divide en cuatro apartados: El análisis bibliográfico; el análisis in situ de los edificios, que nos permite comprobar, por ejemplo, los efectos lumínicos de la columna acanalada del Partenón, o el efecto reverberante de las columnas de la Weissenhofsiedlung; el análisis crítico de planos y detalles constructivos, que nos lleva a concluir que la disposición de pantallas del Pabellón de Barcelona anula la lectura de la crujía estructural, y que la columna del restaurante Cantor se dispone con su alma perpendicular a la cercha, y no paralela, como cabría suponer si se quisiera aprovechar toda la capacidad portante del perfil en H; y por último, el análisis numérico y estructural, que nos lleva a confirmar el sobredimensionado de la Estructura del Patio de los Leones de la Alhambra o el sobredimensionado de la Estructura de la Casa Farnsworth. Lo que se confirma con esta Tesis Doctoral es que la Estructura es algo más, mucho más, que sólo transmisión de las cargas. ABSTRACT John Summerson, in The Classic Language of Architecture, argues that the classic orders used by Roman architects in the decoration of their buildings did not have a structural function, but made buildings expressive. They make them speak. Arthur Schopenhauer affirms that “the goal of Great Architecture is to highlight the struggle between the gravity and rigidity of structural elements”. And Auguste Perret defines Architecture as “the art of making the points of support sing”. The objective of this Doctoral Thesis is to examine the expressive capacity of structure. Following a study of historic structures in the first part of the thesis, we conclude that three categories exist, three ways of expressing Structure. Visible Structures that speak, Concealed Structures that are hidden and Illusory Structures that pretend. The Parthenon and the Sainte Chapelle in Paris are studied in the section on Visible Structures. The Pantheon, the Palace of Charles V, Saint Paul’s Cathedral in London, and other Renaissance and Roman architectures are dealt with in the Concealed Structures section. And, as examples of Illusory Structures, we focus on the Alhambra (The Hall of the Two Sisters, the Comares and the Court of the Lions), Saint Sophia, and other Italian Baroque architectures. In the second part of the Thesis the complete work of Mies van der Rohe is analysed from the perspective of these three categories. The visible, the concealed and the illusory, in the structures of Mies. We study how the structure of the house evolves, from the first houses with the Hidden Structure of the brick wall, to the later houses with Visible Structures and columns, via an intermediate phase of mixed-structure houses with brick walls, where steel first began to make its appearance. We also analyse six structural solutions in the Blocks and Towers: reverberant, expressive or inexpressive Visible Structure vs Concealed Structure with horizontal cladding, reticular cladding or vertical cladding. And finally, we look at the three Illusory Structure solutions that Mies employs in his Pavilions. The methodology employed is divided into four sections: a bibliographic analysis; an analysis in situ of the buildings, which allows us to test, for example, the lighting effects of the fluted column in the Parthenon, or the reverberant effect of the Weissenhofsiedlung columns; a critical analysis of plans and constructive details, which leads us to conclude that the arrangement of panels in the Barcelona Pavilion cancels out the structural centreline, and that the column in the Cantor restaurant is placed with its web perpendicular to the truss, and not parallel to it, as one might expect if one wanted to avail of all the load-bearing capacity of the H beam; and lastly, a numeric and structural analysis, which confirms the oversizing of the Court of the Lions structure in the Alhambra or the oversized structure of Farnsworth House. All of which confirms in this Doctoral Thesis that structure is something more, much more, than a mere conveyor of loads.

Análisis paramétrico determinista y aleatorio de problemas dinámicos en estructuras aeroespaciales

Los fenómenos dinámicos pueden poner en peligro la integridad de estructuras aeroespaciales y los ingenieros han desarrollado diferentes estrategias para analizarlos. Uno de los grandes problemas que se plantean en la ingeniería es cómo atacar un problema dinámico estructural. En la presente tesis se plantean distintos fenómenos dinámicos y se proponen métodos para estimar o simular sus comportamientos mediante un análisis paramétrico determinista y aleatorio del problema. Se han propuesto desde problemas sencillos con pocos grados de libertad que sirven para analizar las diferentes estrategias y herramientas a utilizar, hasta fenómenos muy dinámicos que contienen comportamientos no lineales, daños y fallos. Los primeros ejemplos de investigación planteados cubren una amplia gama de los fenómenos dinámicos, como el análisis de vibraciones de elementos másicos, incluyendo impactos y contactos, y el análisis de una viga con carga armónica aplicada a la que también se le añaden parámetros aleatorios que pueden responder a un desconocimiento o incertidumbre de los mismos. Durante el desarrollo de la tesis se introducen conceptos y se aplican distintos métodos, como el método de elementos finitos (FEM) en el que se analiza su resolución tanto por esquemas implícitos como explícitos, y métodos de análisis paramétricos y estadísticos mediante la técnica de Monte Carlo. Más adelante, una vez ya planteadas las herramientas y estrategias de análisis, se estudian fenómenos más complejos, como el impacto a baja velocidad en materiales compuestos, en el que se busca evaluar la resistencia residual y, por lo tanto, la tolerancia al daño de la estructura. Se trata de un suceso que puede producirse por la caída de herramienta, granizo o restos en la pista de aterrizaje. Otro de los fenómenos analizados también se da en un aeropuerto y se trata de la colisión con un dispositivo frangible, el cual tiene que romperse bajo ciertas cargas y, sin embargo, soportar otras. Finalmente, se aplica toda la metodología planteada en simular y analizar un posible incidente en vuelo, el fenómeno de la pérdida de pala de un turbohélice. Se trata de un suceso muy particular en el que la estructura tiene que soportar unas cargas complejas y excepcionales con las que la aeronave debe ser capaz de completar con éxito el vuelo. El análisis incluye comportamientos no lineales, daños, y varios tipos de fallos, y en el que se trata de identificar los parámetros clave en la secuencia del fallo. El suceso se analiza mediante análisis estructurales deterministas más habituales y también mediante otras técnicas como el método de Monte Carlo con el que se logran estudiar distintas incertidumbres en los parámetros con variables aleatorias. Se estudian, entre otros, el tamaño de pala perdida, la velocidad y el momento en el que se produce la rotura, y la rigidez y resistencia de los apoyos del motor. Se tiene en cuenta incluso el amortiguamiento estructural del sistema. Las distintas estrategias de análisis permiten obtener unos resultados valiosos e interesantes que han sido objeto de distintas publicaciones. ABSTRACT Dynamic phenomena can endanger the integrity of aerospace structures and, consequently, engineers have developed different strategies to analyze them. One of the major engineering problems is how to deal with the structural dynamics. In this thesis, different dynamic phenomena are introduced and several methods are proposed to estimate or simulate their behaviors. The analysis is considered through parametric, deterministic and statistical methods. The suggested issues are from simple problems with few degrees of freedom, in order to develop different strategies and tools to solve them, to very dynamic phenomena containing nonlinear behaviors failures, damages. The first examples cover a wide variety of dynamic phenomena such as vibration analysis of mass elements, including impacts and contacts, and beam analysis with harmonic load applied, in which random parameters are included. These parameters can represent the unawareness or uncertainty of certain variables. During the development of the thesis several concepts are introduced and different methods are applied, such as the finite element method (FEM), which is solved through implicit and explicit schemes, and parametrical and statistical methods using the Monte Carlo analysis technique. Next, once the tools and strategies of analysis are set out more complex phenomena are studied. This is the case of a low-speed impact in composite materials, the residual strength of the structure is evaluated, and therefore, its damage tolerance. This incident may occur from a tool dropped, hail or debris throw on the runway. At an airport may also occur, and it is also analyzed, a collision between an airplane and a frangible device. The devise must brake under these loads, however, it must withstand others. Finally, all the considered methodology is applied to simulate and analyze a flight incident, the blade loss phenomenon of a turboprop. In this particular event the structure must support complex and exceptional loads and the aircraft must be able to successfully complete the flight. Nonlinear behavior, damage, and different types of failures are included in the analysis, in which the key parameters in the failure sequence are identified. The incident is analyzed by deterministic structural analysis and also by other techniques such as Monte Carlo method, in which it is possible to include different parametric uncertainties through random variables. Some of the evaluated parameters are, among others, the blade loss size, propeller rotational frequency, speed and angular position where the blade is lost, and the stiffness and strength of the engine mounts. The study does also research on the structural damping of the system. The different strategies of analysis obtain valuable and interesting results that have been already published.

Diseño de un módulo de IFMIF para irradiación de envolturas regeneradoras basadas en metales líquidos para reactores de fusión

La fusión nuclear es, hoy en día, una alternativa energética a la que la comunidad internacional dedica mucho esfuerzo. El objetivo es el de generar entre diez y cincuenta veces más energía que la que consume mediante reacciones de fusión que se producirán en una mezcla de deuterio (D) y tritio (T) en forma de plasma a doscientos millones de grados centígrados. En los futuros reactores nucleares de fusión será necesario producir el tritio utilizado como combustible en el propio reactor termonuclear. Este hecho supone dar un paso más que las actuales máquinas experimentales dedicadas fundamentalmente al estudio de la física del plasma. Así pues, el tritio, en un reactor de fusión, se produce en sus envolturas regeneradoras cuya misión fundamental es la de blindaje neutrónico, producir y recuperar tritio (fuel para la reacción DT del plasma) y por último convertir la energía de los neutrones en calor. Existen diferentes conceptos de envolturas que pueden ser sólidas o líquidas. Las primeras se basan en cerámicas de litio (Li2O, Li4SiO4, Li2TiO3, Li2ZrO3) y multiplicadores neutrónicos de Be, necesarios para conseguir la cantidad adecuada de tritio. Los segundos se basan en el uso de metales líquidos o sales fundidas (Li, LiPb, FLIBE, FLINABE) con multiplicadores neutrónicos de Be o el propio Pb en el caso de LiPb. Los materiales estructurales pasan por aceros ferrítico-martensíticos de baja activación, aleaciones de vanadio o incluso SiCf/SiC. Cada uno de los diferentes conceptos de envoltura tendrá una problemática asociada que se estudiará en el reactor experimental ITER (del inglés, “International Thermonuclear Experimental Reactor”). Sin embargo, ITER no puede responder las cuestiones asociadas al daño de materiales y el efecto de la radiación neutrónica en las diferentes funciones de las envolturas regeneradoras. Como referencia, la primera pared de un reactor de fusión de 4000MW recibiría 30 dpa/año (valores para Fe-56) mientras que en ITER se conseguirían <10 dpa en toda su vida útil. Esta tesis se encuadra en el acuerdo bilateral entre Europa y Japón denominado “Broader Approach Agreement “(BA) (2007-2017) en el cual España juega un papel destacable. Estos proyectos, complementarios con ITER, son el acelerador para pruebas de materiales IFMIF (del inglés, “International Fusion Materials Irradiation Facility”) y el dispositivo de fusión JT-60SA. Así, los efectos de la irradiación de materiales en materiales candidatos para reactores de fusión se estudiarán en IFMIF. El objetivo de esta tesis es el diseño de un módulo de IFMIF para irradiación de envolturas regeneradoras basadas en metales líquidos para reactores de fusión. El módulo se llamará LBVM (del inglés, “Liquid Breeder Validation Module”). La propuesta surge de la necesidad de irradiar materiales funcionales para envolturas regeneradoras líquidas para reactores de fusión debido a que el diseño conceptual de IFMIF no contaba con esta utilidad. Con objeto de analizar la viabilidad de la presente propuesta, se han realizado cálculos neutrónicos para evaluar la idoneidad de llevar a cabo experimentos relacionados con envolturas líquidas en IFMIF. Así, se han considerado diferentes candidatos a materiales funcionales de envolturas regeneradoras: Fe (base de los materiales estructurales), SiC (material candidato para los FCI´s (del inglés, “Flow Channel Inserts”) en una envoltura regeneradora líquida, SiO2 (candidato para recubrimientos antipermeación), CaO (candidato para recubrimientos aislantes), Al2O3 (candidato para recubrimientos antipermeación y aislantes) y AlN (material candidato para recubrimientos aislantes). En cada uno de estos materiales se han calculado los parámetros de irradiación más significativos (dpa, H/dpa y He/dpa) en diferentes posiciones de IFMIF. Estos valores se han comparado con los esperados en la primera pared y en la zona regeneradora de tritio de un reactor de fusión. Para ello se ha elegido un reactor tipo HCLL (del inglés, “Helium Cooled Lithium Lead”) por tratarse de uno de los más prometedores. Además, los valores también se han comparado con los que se obtendrían en un reactor rápido de fisión puesto que la mayoría de las irradiaciones actuales se hacen en reactores de este tipo. Como conclusión al análisis de viabilidad, se puede decir que los materiales funcionales para mantos regeneradores líquidos podrían probarse en la zona de medio flujo de IFMIF donde se obtendrían ratios de H/dpa y He/dpa muy parecidos a los esperados en las zonas más irradiadas de un reactor de fusión. Además, con el objetivo de ajustar todavía más los valores, se propone el uso de un moderador de W (a considerar en algunas campañas de irradiación solamente debido a que su uso hace que los valores de dpa totales disminuyan). Los valores obtenidos para un reactor de fisión refuerzan la idea de la necesidad del LBVM, ya que los valores obtenidos de H/dpa y He/dpa son muy inferiores a los esperados en fusión y, por lo tanto, no representativos. Una vez demostrada la idoneidad de IFMIF para irradiar envolturas regeneradoras líquidas, y del estudio de la problemática asociada a las envolturas líquidas, también incluida en esta tesis, se proponen tres tipos de experimentos diferentes como base de diseño del LBVM. Éstos se orientan en las necesidades de un reactor tipo HCLL aunque a lo largo de la tesis se discute la aplicabilidad para otros reactores e incluso se proponen experimentos adicionales. Así, la capacidad experimental del módulo estaría centrada en el estudio del comportamiento de litio plomo, permeación de tritio, corrosión y compatibilidad de materiales. Para cada uno de los experimentos se propone un esquema experimental, se definen las condiciones necesarias en el módulo y la instrumentación requerida para controlar y diagnosticar las cápsulas experimentales. Para llevar a cabo los experimentos propuestos se propone el LBVM, ubicado en la zona de medio flujo de IFMIF, en su celda caliente, y con capacidad para 16 cápsulas experimentales. Cada cápsula (24-22 mm de diámetro y 80 mm de altura) contendrá la aleación eutéctica LiPb (hasta 50 mm de la altura de la cápsula) en contacto con diferentes muestras de materiales. Ésta irá soportada en el interior de tubos de acero por los que circulará un gas de purga (He), necesario para arrastrar el tritio generado en el eutéctico y permeado a través de las paredes de las cápsulas (continuamente, durante irradiación). Estos tubos, a su vez, se instalarán en una carcasa también de acero que proporcionará soporte y refrigeración tanto a los tubos como a sus cápsulas experimentales interiores. El módulo, en su conjunto, permitirá la extracción de las señales experimentales y el gas de purga. Así, a través de la estación de medida de tritio y el sistema de control, se obtendrán los datos experimentales para su análisis y extracción de conclusiones experimentales. Además del análisis de datos experimentales, algunas de estas señales tendrán una función de seguridad y por tanto jugarán un papel primordial en la operación del módulo. Para el correcto funcionamiento de las cápsulas y poder controlar su temperatura, cada cápsula se equipará con un calentador eléctrico y por tanto el módulo requerirá también ser conectado a la alimentación eléctrica. El diseño del módulo y su lógica de operación se describe en detalle en esta tesis. La justificación técnica de cada una de las partes que componen el módulo se ha realizado con soporte de cálculos de transporte de tritio, termohidráulicos y mecánicos. Una de las principales conclusiones de los cálculos de transporte de tritio es que es perfectamente viable medir el tritio permeado en las cápsulas mediante cámaras de ionización y contadores proporcionales comerciales, con sensibilidades en el orden de 10-9 Bq/m3. Los resultados son aplicables a todos los experimentos, incluso si son cápsulas a bajas temperaturas o si llevan recubrimientos antipermeación. Desde un punto de vista de seguridad, el conocimiento de la cantidad de tritio que está siendo transportada con el gas de purga puede ser usado para detectar de ciertos problemas que puedan estar sucediendo en el módulo como por ejemplo, la rotura de una cápsula. Además, es necesario conocer el balance de tritio de la instalación. Las pérdidas esperadas el refrigerante y la celda caliente de IFMIF se pueden considerar despreciables para condiciones normales de funcionamiento. Los cálculos termohidráulicos se han realizado con el objetivo de optimizar el diseño de las cápsulas experimentales y el LBVM de manera que se pueda cumplir el principal requisito del módulo que es llevar a cabo los experimentos a temperaturas comprendidas entre 300-550ºC. Para ello, se ha dimensionado la refrigeración necesaria del módulo y evaluado la geometría de las cápsulas, tubos experimentales y la zona experimental del contenedor. Como consecuencia de los análisis realizados, se han elegido cápsulas y tubos cilíndricos instalados en compartimentos cilíndricos debido a su buen comportamiento mecánico (las tensiones debidas a la presión de los fluidos se ven reducidas significativamente con una geometría cilíndrica en lugar de prismática) y térmico (uniformidad de temperatura en las paredes de los tubos y cápsulas). Se han obtenido campos de presión, temperatura y velocidad en diferentes zonas críticas del módulo concluyendo que la presente propuesta es factible. Cabe destacar que el uso de códigos fluidodinámicos (e.g. ANSYS-CFX, utilizado en esta tesis) para el diseño de cápsulas experimentales de IFMIF no es directo. La razón de ello es que los modelos de turbulencia tienden a subestimar la temperatura de pared en mini canales de helio sometidos a altos flujos de calor debido al cambio de las propiedades del fluido cerca de la pared. Los diferentes modelos de turbulencia presentes en dicho código han tenido que ser estudiados con detalle y validados con resultados experimentales. El modelo SST (del inglés, “Shear Stress Transport Model”) para turbulencia en transición ha sido identificado como adecuado para simular el comportamiento del helio de refrigeración y la temperatura en las paredes de las cápsulas experimentales. Con la geometría propuesta y los valores principales de refrigeración y purga definidos, se ha analizado el comportamiento mecánico de cada uno de los tubos experimentales que contendrá el módulo. Los resultados de tensiones obtenidos, han sido comparados con los valores máximos recomendados en códigos de diseño estructural como el SDC-IC (del inglés, “Structural Design Criteria for ITER Components”) para así evaluar el grado de protección contra el colapso plástico. La conclusión del estudio muestra que la propuesta es mecánicamente robusta. El LBVM implica el uso de metales líquidos y la generación de tritio además del riesgo asociado a la activación neutrónica. Por ello, se han estudiado los riesgos asociados al uso de metales líquidos y el tritio. Además, se ha incluido una evaluación preliminar de los riesgos radiológicos asociados a la activación de materiales y el calor residual en el módulo después de la irradiación así como un escenario de pérdida de refrigerante. Los riesgos asociados al módulo de naturaleza convencional están asociados al manejo de metales líquidos cuyas reacciones con aire o agua se asocian con emisión de aerosoles y probabilidad de fuego. De entre los riesgos nucleares destacan la generación de gases radiactivos como el tritio u otros radioisótopos volátiles como el Po-210. No se espera que el módulo suponga un impacto medioambiental asociado a posibles escapes. Sin embargo, es necesario un manejo adecuado tanto de las cápsulas experimentales como del módulo contenedor así como de las líneas de purga durante operación. Después de un día de después de la parada, tras un año de irradiación, tendremos una dosis de contacto de 7000 Sv/h en la zona experimental del contenedor, 2300 Sv/h en la cápsula y 25 Sv/h en el LiPb. El uso por lo tanto de manipulación remota está previsto para el manejo del módulo irradiado. Por último, en esta tesis se ha estudiado también las posibilidades existentes para la fabricación del módulo. De entre las técnicas propuestas, destacan la electroerosión, soldaduras por haz de electrones o por soldadura láser. Las bases para el diseño final del LBVM han sido pues establecidas en el marco de este trabajo y han sido incluidas en el diseño intermedio de IFMIF, que será desarrollado en el futuro, como parte del diseño final de la instalación IFMIF. ABSTRACT Nuclear fusion is, today, an alternative energy source to which the international community devotes a great effort. The goal is to generate 10 to 50 times more energy than the input power by means of fusion reactions that occur in deuterium (D) and tritium (T) plasma at two hundred million degrees Celsius. In the future commercial reactors it will be necessary to breed the tritium used as fuel in situ, by the reactor itself. This constitutes a step further from current experimental machines dedicated mainly to the study of the plasma physics. Therefore, tritium, in fusion reactors, will be produced in the so-called breeder blankets whose primary mission is to provide neutron shielding, produce and recover tritium and convert the neutron energy into heat. There are different concepts of breeding blankets that can be separated into two main categories: solids or liquids. The former are based on ceramics containing lithium as Li2O , Li4SiO4 , Li2TiO3 , Li2ZrO3 and Be, used as a neutron multiplier, required to achieve the required amount of tritium. The liquid concepts are based on molten salts or liquid metals as pure Li, LiPb, FLIBE or FLINABE. These blankets use, as neutron multipliers, Be or Pb (in the case of the concepts based on LiPb). Proposed structural materials comprise various options, always with low activation characteristics, as low activation ferritic-martensitic steels, vanadium alloys or even SiCf/SiC. Each concept of breeding blanket has specific challenges that will be studied in the experimental reactor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). However, ITER cannot answer questions associated to material damage and the effect of neutron radiation in the different breeding blankets functions and performance. As a reference, the first wall of a fusion reactor of 4000 MW will receive about 30 dpa / year (values for Fe-56) , while values expected in ITER would be <10 dpa in its entire lifetime. Consequently, the irradiation effects on candidate materials for fusion reactors will be studied in IFMIF (International Fusion Material Irradiation Facility). This thesis fits in the framework of the bilateral agreement among Europe and Japan which is called “Broader Approach Agreement “(BA) (2007-2017) where Spain plays a key role. These projects, complementary to ITER, are mainly IFMIF and the fusion facility JT-60SA. The purpose of this thesis is the design of an irradiation module to test candidate materials for breeding blankets in IFMIF, the so-called Liquid Breeder Validation Module (LBVM). This proposal is born from the fact that this option was not considered in the conceptual design of the facility. As a first step, in order to study the feasibility of this proposal, neutronic calculations have been performed to estimate irradiation parameters in different materials foreseen for liquid breeding blankets. Various functional materials were considered: Fe (base of structural materials), SiC (candidate material for flow channel inserts, SiO2 (candidate for antipermeation coatings), CaO (candidate for insulating coatings), Al2O3 (candidate for antipermeation and insulating coatings) and AlN (candidate for insulation coating material). For each material, the most significant irradiation parameters have been calculated (dpa, H/dpa and He/dpa) in different positions of IFMIF. These values were compared to those expected in the first wall and breeding zone of a fusion reactor. For this exercise, a HCLL (Helium Cooled Lithium Lead) type was selected as it is one of the most promising options. In addition, estimated values were also compared with those obtained in a fast fission reactor since most of existing irradiations have been made in these installations. The main conclusion of this study is that the medium flux area of IFMIF offers a good irradiation environment to irradiate functional materials for liquid breeding blankets. The obtained ratios of H/dpa and He/dpa are very similar to those expected in the most irradiated areas of a fusion reactor. Moreover, with the aim of bringing the values further close, the use of a W moderator is proposed to be used only in some experimental campaigns (as obviously, the total amount of dpa decreases). The values of ratios obtained for a fission reactor, much lower than in a fusion reactor, reinforce the need of LBVM for IFMIF. Having demonstrated the suitability of IFMIF to irradiate functional materials for liquid breeding blankets, and an analysis of the main problems associated to each type of liquid breeding blanket, also presented in this thesis, three different experiments are proposed as basis for the design of the LBVM. These experiments are dedicated to the needs of a blanket HCLL type although the applicability of the module for other blankets is also discussed. Therefore, the experimental capability of the module is focused on the study of the behavior of the eutectic alloy LiPb, tritium permeation, corrosion and material compatibility. For each of the experiments proposed an experimental scheme is given explaining the different module conditions and defining the required instrumentation to control and monitor the experimental capsules. In order to carry out the proposed experiments, the LBVM is proposed, located in the medium flux area of the IFMIF hot cell, with capability of up to 16 experimental capsules. Each capsule (24-22 mm of diameter, 80 mm high) will contain the eutectic allow LiPb (up to 50 mm of capsule high) in contact with different material specimens. They will be supported inside rigs or steel pipes. Helium will be used as purge gas, to sweep the tritium generated in the eutectic and permeated through the capsule walls (continuously, during irradiation). These tubes, will be installed in a steel container providing support and cooling for the tubes and hence the inner experimental capsules. The experimental data will consist of on line monitoring signals and the analysis of purge gas by the tritium measurement station. In addition to the experimental signals, the module will produce signals having a safety function and therefore playing a major role in the operation of the module. For an adequate operation of the capsules and to control its temperature, each capsule will be equipped with an electrical heater so the module will to be connected to an electrical power supply. The technical justification behind the dimensioning of each of these parts forming the module is presented supported by tritium transport calculations, thermalhydraulic and structural analysis. One of the main conclusions of the tritium transport calculations is that the measure of the permeated tritium is perfectly achievable by commercial ionization chambers and proportional counters with sensitivity of 10-9 Bq/m3. The results are applicable to all experiments, even to low temperature capsules or to the ones using antipermeation coatings. From a safety point of view, the knowledge of the amount of tritium being swept by the purge gas is a clear indicator of certain problems that may be occurring in the module such a capsule rupture. In addition, the tritium balance in the installation should be known. Losses of purge gas permeated into the refrigerant and the hot cell itself through the container have been assessed concluding that they are negligible for normal operation. Thermal hydraulic calculations were performed in order to optimize the design of experimental capsules and LBVM to fulfill one of the main requirements of the module: to perform experiments at uniform temperatures between 300-550ºC. The necessary cooling of the module and the geometry of the capsules, rigs and testing area of the container were dimensioned. As a result of the analyses, cylindrical capsules and rigs in cylindrical compartments were selected because of their good mechanical behavior (stresses due to fluid pressure are reduced significantly with a cylindrical shape rather than prismatic) and thermal (temperature uniformity in the walls of the tubes and capsules). Fields of pressure, temperature and velocity in different critical areas of the module were obtained concluding that the proposal is feasible. It is important to mention that the use of fluid dynamic codes as ANSYS-CFX (used in this thesis) for designing experimental capsules for IFMIF is not direct. The reason for this is that, under strongly heated helium mini channels, turbulence models tend to underestimate the wall temperature because of the change of helium properties near the wall. Therefore, the different code turbulence models had to be studied in detail and validated against experimental results. ANSYS-CFX SST (Shear Stress Transport Model) for transitional turbulence model has been identified among many others as the suitable one for modeling the cooling helium and the temperature on the walls of experimental capsules. Once the geometry and the main purge and cooling parameters have been defined, the mechanical behavior of each experimental tube or rig including capsules is analyzed. Resulting stresses are compared with the maximum values recommended by applicable structural design codes such as the SDC- IC (Structural Design Criteria for ITER Components) in order to assess the degree of protection against plastic collapse. The conclusion shows that the proposal is mechanically robust. The LBVM involves the use of liquid metals, tritium and the risk associated with neutron activation. The risks related with the handling of liquid metals and tritium are studied in this thesis. In addition, the radiological risks associated with the activation of materials in the module and the residual heat after irradiation are evaluated, including a scenario of loss of coolant. Among the identified conventional risks associated with the module highlights the handling of liquid metals which reactions with water or air are accompanied by the emission of aerosols and fire probability. Regarding the nuclear risks, the generation of radioactive gases such as tritium or volatile radioisotopes such as Po-210 is the main hazard to be considered. An environmental impact associated to possible releases is not expected. Nevertheless, an appropriate handling of capsules, experimental tubes, and container including purge lines is required. After one day after shutdown and one year of irradiation, the experimental area of the module will present a contact dose rate of about 7000 Sv/h, 2300 Sv/h in the experimental capsules and 25 Sv/h in the LiPb. Therefore, the use of remote handling is envisaged for the irradiated module. Finally, the different possibilities for the module manufacturing have been studied. Among the proposed techniques highlights the electro discharge machining, brazing, electron beam welding or laser welding. The bases for the final design of the LBVM have been included in the framework of the this work and included in the intermediate design report of IFMIF which will be developed in future, as part of the IFMIF facility final design.

Some recent applications of non-linear models to the engineering practice

The Department of Structural Analysis of the University of Santander has been for a longtime involved in the solution of the country´s practical engineering problems. Some of these have required the use of non-conventional methods of analysis, in order to achieve adequate engineering answers. As an example of the increasing application of non-linear computer codes in the nowadays engineering practice, some cases will be briefly presented. In each case, only the main features of the problem involved and the solution used to solve it will be shown

Del empirismo a la invención: cálculo y proyecto en la arquitectura moderna

El objetivo de esta tesis es poner de relieve cómo el desarrollo del cálculo de estructuras ha influido en la manera de concebir la forma arquitectónica y qué relaciones se establecen entre estructura (formal) y estructura resistente. Este modo de explicar el hecho arquitectónico, desde la relación arte-estructura, no es el más generalizado. Por lo que profundizar en él podría llegar a enriquecer la manera en la que se comprende la arquitectura. Por tanto, se parte de la base de que la técnica no es sólo un instrumento, un medio del que disponer, sino que es un proceso mediante el cual la abstracción se hace tangible. Con lo que se produce una retroalimentación entre lo universal, es decir, lo abstracto, y lo concreto, o sea, lo real. Además, esta investigación se centra en la estructura resistente, en tanto que se trata del único principio sine qua non de la tríada vitruviana. Sin embargo, no se incurre en el error de pensar que la arquitectura depende únicamente de la tecnología para su desarrollo; hay muchos más condicionantes que intervienen en ella, que van desde la expresión, hasta cuestiones sociológicas. La manera en la que los proyectistas diseñan se desarrolla en paralelo a la evolución de la técnica. Ahora bien, la meta de esta investigación consiste en dilucidar hasta qué punto la voluntad de los arquitectos e ingenieros es independiente de la tecnología. Para ello, se lleva a cabo un análisis desde dos puntos de vista. El primero plantea un desarrollo histórico de la evolución de la teoría del cálculo de estructuras en el que, a través del tiempo, se analizan las repercusiones formales que se han ido derivando de él, tanto en ingeniería, como en arquitectura. Se pretende, así, llevar a cabo una lectura de la historia para entender el presente y proyectar el futuro. La segunda visión que se plantea estudia el modo en el que los historiadores de la arquitectura moderna han entendido la noción de estructura resistente. Dado que se entiende que los críticos de arquitectura inf uyen en la manera de pensar y entender dicha disciplina. Para desarrollarla se tomó como referencia a Panayotis Tournikiotis y su libro La historiografía de la arquitectura moderna. Finalmente, se elabora una lectura transversal de ambos puntos de vista, con la intención de discernir la influencia de la técnica en la génesis de la arquitectura en el siglo XX. En ella se estudian algunos de los ejemplos más importantes de la arquitectura moderna, así como se intentan esclarecer las distintas maneras de proyectar en relación a la estructura resistente. A partir de todo lo anterior se pretende responder a la siguiente pregunta: ¿la manera en que los proyectistas plantean la relación entre estructura (formal) y estructura resistente ha sido la misma a lo largo de la Historia? Podría decirse que no. Dicha relación ha evolucionado desde el empirismo a la invención, pasando por la ciencia. En cada una de esas etapas el entendimiento, no sólo del comportamiento estructural de las construcciones, sino también del Imago Mundi, ha ido variando; lo que se ha plasmado en la relación entre estructura (formal) y estructura resistente en los edificios. RECENSIONE L’obiettivo della presente tesi è mettere in evidenza come lo sviluppo del calcolo strutturale ha inf uenzato il modo di concepire la forma architettonica e, che relazioni si stabiliscono tra struttura (formale) e struttura resistente. Questo modo di spiegare la questione architettonica, partendo dalla relazione arte-struttura, non è il più comune. Quindi, approfondire la ricerca su questo aspetto potrebbe arrivare ad arricchire la maniera in cui si capisce l’architettura. Per tanto, si parte da un principio di base ovvero che la tecnica non è soltanto uno strumento, un medio di cui disporre, ma che è un processo mediante il quale l’astrazione si fa tangibile. Con cui si produce una retroalimentazione tra l’universale, cioè, l’astratto e il concreto, ossia, il reale. Inoltre, questa ricerca si centra nella struttura resistente, in quanto si tratta dell’unico principio sine qua non della triade vitruviana. Eppure, non s’incorre nell’errore di pensare che l’architettura dipenda unicamente della tecnologia per il suo sviluppo; ci sono molti altri condizionanti che intervengono in essa, che vanno dalla espressione f no a questioni sociologiche. La maniera in cui i progettisti disegnano si sviluppa in parallelo alla evoluzione della tecnica. Tuttavia, l’obbiettivo della ricerca consiste nel cercare di chiarire f no che punto la volontà progettuale e ideativa degli architetti e degli ingegneri è indipendente della tecnologia. Per questo, si realizza un’analisi da due punti di vista. Il primo ipotizza uno sviluppo storico dell’evoluzione della teoria del calcolo strutturale in cui, attraverso del tempo, si analizzano le ripercussioni formali che si sono derivate da questo, sia in ingegneria sia in architettura. Si pretende così, realizzare una lettura della storia per capire il presente e progettare il futuro. La seconda visione che s’ ipotizza, studia il modo in cui gli storici dell’architettura moderna hanno capito la nozione di struttura resistente. Poiché si capisce che i critici di architettura inf uiscono nella maniera di pensare e capire questa disciplina. Per svilupparla si prese come riferimento Panayotis Tournikiotis e il suo libro La storiograf a dell’architettura moderna. Finalmente, si elabora una lettura trasversale di ambedue punti di vista, con l’intenzione di discernere l’inf uenza della tecnica nella genesi dell’architettura nel XX secolo. In questa si studiano alcuni degli esempi più importanti dell’architettura moderna, così come si tentano chiarif care le diverse maniere di progettare in relazione alla struttura resistente. Oltretutto quello precedente, si pretende rispondere alla seguente domanda: La maniera in cui i progettisti ipotizzano la relazione tra struttura (formale) e struttura resistente è stata la stessa lungo la storia? Potrebbe dirsi di no. Essa relazione si è evoluta dall’empirismo all’invenzione, passando per la scienza. In ogni una di queste tappe si cerca di comprendere, non soltanto il comportamento strutturale delle costruzioni, ma anche l’aspetto del Imago Mundi. Ció che é cambiato è la coesistenza tra struttura (formale) e struttura resistente negli edifici. ABSTRACT T e objective of this thesis is to highlight how the development of structural analysis has influenced the way of conceiving architectural form and what relationship exists between (formal) structure and resistant structure. T is way of explaining architecture, from the relationship between art and structure, is not the most generalized, which is why increasing our understanding of it can enrich the way in which architecture is understood. Therefore, the basis is that technique is not only an instrument, a medium to have, but rather a process through which abstraction becomes tangible. Because of this, a type of feedback is produced between what is universal, in other words, abstract, and concrete, real. Additionally, this research focuses on resistant structure in that it refers to the unique principal sine qua non of the Vitruvian triad. However, it does not err by accepting the idea that architecture depends only on technology for its development; there are many conditioners which intervene which include everything from expression to sociological issues. T e way in which builders design is developed parallel to the evolution of technique. T e goal of this investigation consists of explaining to what point the will of architects and engineers is independent from technology. For this, an analysis of two points of view is helpful. T e f rst proposes a historical development of the theory of structures in which, through time, formal repercussions that have derived from it, in engineering as well as in architecture, are analyzed. In this way, a historical reading is attempted in order to understand the present and predict the future. T e second vision that is proposed studies the manner in which historians of modern architecture have understood the notion of resistant structure, given that it is understood that the critics of architecture inf uence the way of thinking about and understanding this discipline. In order to develop it, Panayotis Tournikiotis and his book La historiografía de la arquitectura moderna was used as a reference. Finally, a transversal reading of both points of view is done with the intention of discerning the influence of technique in the genesis of architecture in the 20th century. In this reading, several of the most important examples of modern architecture are studied and an attempt is made at shedding light on the different ways of designing in relation to resistant structure. Using the previous discussion, one can attempt to respond to the following question: Has the way in which designers conceive the relationship between (formal) structure and resistant structure been the same throughout history? In fact, the answer is no, this relationship has evolved from empiricism into invention, while incorporating scientific elements. At each of the stages of understanding, structural behavior of constructions as well as that of the Imago Mundi has continually changed, which has been captured in the relationship between (formal) structure and resistant structure in buildings.