Numerical and experimental study of overtopping and failure of rockfill dams

This paper aims to present and validate a numerical technique for the simulation of the overtopping and onset of failure in rockfill dams due to mass sliding. This goal is achieved by coupling a fluid dynamic model for the simulation of the free surface and through-flow problems, with a numerical technique for the calculation of the rockfill response and deformation. Both the flow within the dam body and in its surroundings are taken into account. An extensive validation of the resulting computational method is performed by solving several failure problems on physical models of rockfill dams for which experimental results have been obtained by the authors.

Experimental and numerical study of cw green laser crystallization of a-Si:H thin films

Crystallization and grain growth technique of thin film silicon are among the most promising methods for improving efficiency and lowering cost of solar cells. A major advantage of laser crystallization and annealing over conventional heating methods is its ability to limit rapid heating and cooling to thin surface layers. Laser energy is used to heat the amorphous silicon thin film, melting it and changing the microstructure to polycrystalline silicon (poly-Si) as it cools. Depending on the laser density, the vaporization temperature can be reached at the center of the irradiated area. In these cases ablation effects are expected and the annealing process becomes ineffective. The heating process in the a-Si thin film is governed by the general heat transfer equation. The two dimensional non-linear heat transfer equation with a moving heat source is solve numerically using the finite element method (FEM), particularly COMSOL Multiphysics. The numerical model help to establish the density and the process speed range needed to assure the melting and crystallization without damage or ablation of the silicon surface. The samples of a-Si obtained by physical vapour deposition were irradiated with a cw-green laser source (Millennia Prime from Newport-Spectra) that delivers up to 15 W of average power. The morphology of the irradiated area was characterized by confocal laser scanning microscopy (Leica DCM3D) and Scanning Electron Microscopy (SEM Hitachi 3000N). The structural properties were studied by micro-Raman spectroscopy (Renishaw, inVia Raman microscope).

Modelización tridimensional de ensayos de adherencia tipo viga del refuerzo NSM-FRP en hormigón

El uso de refuerzos NSM‐FRP en estructuras de hormigón armado se ha incrementado considerablemente en los últimos años como método de refuerzo estructural. Los ensayos de arrancamiento en viga de los refuerzos NSM‐FRP permiten el estudio del comportamiento de la unión pegada. El principal objetivo del presente trabajo aborda la simulación numérica de este tipo de ensayos, con el propósito de caracterizar correctamente la adherencia entre las barras de NSM‐FRP y el hormigón. En una fase inicial se simuló un modelo bidimensional para conseguir evaluar y verificar el comportamiento de los elementos cohesivos y ver su comportamiento primero ante diferentes modelos de material y segundo ante un modo mixto de fallo, debido a la aplicación simultanea de carga axial y carga cortante. En una segunda fase se creó un modelo tridimensional para estudiar el arrancamiento de una barra de material compuesto insertada en hormigón, creando un modelo de material de hormigón y viendo el comportamiento cualitativo del sistema ante variaciones en los parámetros de los diferentes materiales. En la tercera fase, la más importante del presente trabajo, se abordó la simulación numérica del ensayo de arrancamiento en viga. Se simularon todos los componentes del ensayo y se evaluaron diferentes alternativas para representar la interfase NSM‐FRP ‐ hormigón, usando elementos cohesivos y diferentes distribuciones de los mismos en la interfase. Para conseguir representar lo más fielmente posible las condiciones del ensayo, se diseñó también un controlador PID que permite realizar las simulaciones numéricas mediante un control en desplazamientos, lo cual permite capturar más correctamente el comportamiento de reblandecimiento de la unión pegada. El controlador PID aplica técnicas de ingeniería de control para conseguir calcular a priori la amplitud necesaria del desplazamiento impuesto que provoque una evolución establecida en una variable interna del sistema. La variable usada para correlacionar los ensayos es la diferencia en desplazamientos entre dos puntos y se escoge una evolución lineal de la misma, pero en la tesis también se exponen los resultados de escoger otras posibles variables internas con diferentes evoluciones. Se compararon las simulaciones numéricas con resultados de mediciones experimentales previamente publicadas. Los resultados carga‐deslizamiento obtenidos encajan bien con los datos experimentales. El modelo propuesto es también capaz de predecir el modo de fallo en la interfase NSM‐FRP ‐ hormigón. Finalmente, también se han llevado a cabo estudios paramétricos, para evaluar la influencia de cada parámetro en los resultados. También se realizó un estudio cualitativo de cómo se comporta la unión pegada en cada momento de la simulación, mediante el uso macros y gráficas tridimensionales, para conseguir una mejor visualización y facilitar el análisis de los resultados. ABSTRACT The use of near‐surface mounted FRP reinforcement in reinforced concrete structures has seen a considerable increase in recent years as a strengthening method. Beam pull‐out tests for near‐surface reinforcement allow obtaining the local bond‐slip behavior of a bonded joint. The main objective of the current work deals with the three‐dimensional modeling of this kind of test with the purpose of characterizing suitably the mechanics of bond between FRP rods and concrete. In an initial stage, a two bidimensional in order to evaluate and to verify the behavior of the cohesive elements. Its behavior was evaluated first testing different material models and second testing the behavior when mixed mode failure appears, due to simultaneous axial and shear load. In a second stage a tridimensional model was created in order to study the pull‐out of an inserted beam of composite material in concrete. A concrete material model was created and the influence of each material parameter was studied qualitatively. The third part, the most relevant of the present work, the numerical simulation of the Beam Pull‐Out test was faced. All the parts of the Beam Pull‐Out test were included inthe simulation and different alternatives to represent the FRP bar – concrete interface have been evaluated, using cohesive elements and different distributions of them. In order to reproduce the test conditions more reliably, a PID controller has also been designed to conduct suitably the numerical tests in order to properly capture the softening branch of the load‐slip behaviour. The PID controller applies control techniques to calculate a priori the necessary amplitude of the load in order to achieve a given evolution through the simulation of an internal variable previously chosen. The variable used in order to correlate the simulation with the test results is the difference in displacements between two points and a linear evolution was chosen, but in the thesis the results of choosing other possible internal variables with different evolutions are also shown. The numerical FE simulations were compared with experimental measurements previously published. Load‐slip predictions compare well with the corresponding experimental data. The proposed model is also able to predict the failure mode at the FRP‐concrete interface. Some parametric studies have also been carried out, in order to evaluate the influence of each material parameter in the results. A qualitative study of the behaviour of the joint was also performed, using the results of the numeric simulations and through the use of macros and 3D graphs, the tensional state of each point of the joint can be visualized in each moment of the simulation.

Experimental and numerical study of cracking of concrete due to reinforcement corrosion

La corrosión del acero es una de las patologías más importantes que afectan a las estructuras de hormigón armado que están expuestas a ambientes marinos o al ataque de sales fundentes. Cuando se produce corrosión, se genera una capa de óxido alrededor de la superficie de las armaduras, que ocupa un volumen mayor que el acero inicial; como consecuencia, el óxido ejerce presiones internas en el hormigón circundante, que lleva a la fisuración y, ocasionalmente, al desprendimiento del recubrimiento de hormigón. Durante los últimos años, numerosos estudios han contribuido a ampliar el conocimiento sobre el proceso de fisuración; sin embargo, aún existen muchas incertidumbres respecto al comportamiento mecánico de la capa de óxido, que es fundamental para predecir la fisuración. Por ello, en esta tesis se ha desarrollado y aplicado una metodología, para mejorar el conocimiento respecto al comportamiento del sistema acero-óxido-hormigón, combinando experimentos y simulaciones numéricas. Se han realizado ensayos de corrosión acelerada en condiciones de laboratorio, utilizando la técnica de corriente impresa. Con el objetivo de obtener información cercana a la capa de acero, como muestras se seleccionaron prismas de hormigón con un tubo de acero liso como armadura, que se diseñaron para conseguir la formación de una única fisura principal en el recubrimiento. Durante los ensayos, las muestras se equiparon con instrumentos especialmente diseñados para medir la variación de diámetro y volumen interior de los tubos, y se midió la apertura de la fisura principal utilizando un extensómetro comercial, adaptado a la geometría de las muestras. Las condiciones de contorno se diseñaron cuidadosamente para que los campos de corriente y deformación fuesen planos durante los ensayos, resultando en corrosión uniforme a lo largo del tubo, para poder reproducir los ensayos en simulaciones numéricas. Se ensayaron series con varias densidades de corriente y varias profundidades de corrosión. De manera complementaria, el comportamiento en fractura del hormigón se caracterizó en ensayos independientes, y se midió la pérdida gravimétrica de los tubos siguiendo procedimientos estándar. En todos los ensayos, la fisura principal creció muy despacio durante las primeras micras de profundidad de corrosión, pero después de una cierta profundidad crítica, la fisura se desarrolló completamente, con un aumento rápido de su apertura; la densidad de corriente influye en la profundidad de corrosión crítica. Las variaciones de diámetro interior y de volumen interior de los tubos mostraron tendencias diferentes entre sí, lo que indica que la deformación del tubo no fue uniforme. Después de la corrosión acelerada, las muestras se cortaron en rebanadas, que se utilizaron en ensayos post-corrosión. El patrón de fisuración se estudió a lo largo del tubo, en rebanadas que se impregnaron en vacío con resina y fluoresceína para mejorar la visibilidad de las fisuras bajo luz ultravioleta, y se estudió la presencia de óxido dentro de las grietas. En todas las muestras, se formó una fisura principal en el recubrimiento, infiltrada con óxido, y varias fisuras secundarias finas alrededor del tubo; el número de fisuras varió con la profundidad de corrosión de las muestras. Para muestras con la misma corrosión, el número de fisuras y su posición fue diferente entre muestras y entre secciones de una misma muestra, debido a la heterogeneidad del hormigón. Finalmente, se investigó la adherencia entre el acero y el hormigón, utilizando un dispositivo diseñado para empujar el tubo en el hormigón. Las curvas de tensión frente a desplazamiento del tubo presentaron un pico marcado, seguido de un descenso constante; la profundidad de corrosión y la apertura de fisura de las muestras influyeron notablemente en la tensión residual del ensayo. Para simular la fisuración del hormigón causada por la corrosión de las armaduras, se programó un modelo numérico. Éste combina elementos finitos con fisura embebida adaptable que reproducen la fractura del hormigón conforme al modelo de fisura cohesiva estándar, y elementos de interfaz llamados elementos junta expansiva, que se programaron específicamente para reproducir la expansión volumétrica del óxido y que incorporan su comportamiento mecánico. En el elemento junta expansiva se implementó un fenómeno de despegue, concretamente de deslizamiento y separación, que resultó fundamental para obtener localización de fisuras adecuada, y que se consiguió con una fuerte reducción de la rigidez tangencial y la rigidez en tracción del óxido. Con este modelo, se realizaron simulaciones de los ensayos, utilizando modelos bidimensionales de las muestras con elementos finitos. Como datos para el comportamiento en fractura del hormigón, se utilizaron las propiedades determinadas en experimentos. Para el óxido, inicialmente se supuso un comportamiento fluido, con deslizamiento y separación casi perfectos. Después, se realizó un ajuste de los parámetros del elemento junta expansiva para reproducir los resultados experimentales. Se observó que variaciones en la rigidez normal del óxido apenas afectaban a los resultados, y que los demás parámetros apenas afectaban a la apertura de fisura; sin embargo, la deformación del tubo resultó ser muy sensible a variaciones en los parámetros del óxido, debido a la flexibilidad de la pared de los tubos, lo que resultó fundamental para determinar indirectamente los valores de los parámetros constitutivos del óxido. Finalmente, se realizaron simulaciones definitivas de los ensayos. El modelo reprodujo la profundidad de corrosión crítica y el comportamiento final de las curvas experimentales; se comprobó que la variación de diámetro interior de los tubos está fuertemente influenciada por su posición relativa respecto a la fisura principal, en concordancia con los resultados experimentales. De la comparación de los resultados experimentales y numéricos, se pudo extraer información sobre las propiedades del óxido que de otra manera no habría podido obtenerse. Corrosion of steel is one of the main pathologies affecting reinforced concrete structures exposed to marine environments or to molten salt. When corrosion occurs, an oxide layer develops around the reinforcement surface, which occupies a greater volume than the initial steel; thus, it induces internal pressure on the surrounding concrete that leads to cracking and, eventually, to full-spalling of the concrete cover. During the last years much effort has been devoted to understand the process of cracking; however, there is still a lack of knowledge regarding the mechanical behavior of the oxide layer, which is essential in the prediction of cracking. Thus, a methodology has been developed and applied in this thesis to gain further understanding of the behavior of the steel-oxide-concrete system, combining experiments and numerical simulations. Accelerated corrosion tests were carried out in laboratory conditions, using the impressed current technique. To get experimental information close to the oxide layer, concrete prisms with a smooth steel tube as reinforcement were selected as specimens, which were designed to get a single main crack across the cover. During the tests, the specimens were equipped with instruments that were specially designed to measure the variation of inner diameter and volume of the tubes, and the width of the main crack was recorded using a commercial extensometer that was adapted to the geometry of the specimens. The boundary conditions were carefully designed so that plane current and strain fields were expected during the tests, resulting in nearly uniform corrosion along the length of the tube, so that the tests could be reproduced in numerical simulations. Series of tests were carried out with various current densities and corrosion depths. Complementarily, the fracture behavior of concrete was characterized in independent tests, and the gravimetric loss of the steel tubes was determined by standard means. In all the tests, the main crack grew very slowly during the first microns of corrosion depth, but after a critical corrosion depth it fully developed and opened faster; the current density influenced the critical corrosion depth. The variation of inner diameter and inner volume of the tubes had different trends, which indicates that the deformation of the tube was not uniform. After accelerated corrosion, the specimens were cut into slices, which were used in post-corrosion tests. The pattern of cracking along the reinforcement was investigated in slices that were impregnated under vacuum with resin containing fluorescein to enhance the visibility of cracks under ultraviolet lightening and a study was carried out to assess the presence of oxide into the cracks. In all the specimens, a main crack developed through the concrete cover, which was infiltrated with oxide, and several thin secondary cracks around the reinforcement; the number of cracks diminished with the corrosion depth of the specimen. For specimens with the same corrosion, the number of cracks and their position varied from one specimen to another and between cross-sections of a given specimen, due to the heterogeneity of concrete. Finally, the bond between the steel and the concrete was investigated, using a device designed to push the tubes of steel in the concrete. The curves of stress versus displacement of the tube presented a marked peak, followed by a steady descent, with notably influence of the corrosion depth and the crack width on the residual stress. To simulate cracking of concrete due to corrosion of the reinforcement, a numerical model was implemented. It combines finite elements with an embedded adaptable crack that reproduces cracking of concrete according to the basic cohesive model, and interface elements so-called expansive joint elements, which were specially designed to reproduce the volumetric expansion of oxide and incorporate its mechanical behavior. In the expansive joint element, a debonding effect was implemented consisting of sliding and separation, which was proved to be essential to achieve proper localization of cracks, and was achieved by strongly reducing the shear and the tensile stiffnesses of the oxide. With that model, simulations of the accelerated corrosion tests were carried out on 2- dimensional finite element models of the specimens. For the fracture behavior of concrete, the properties experimentally determined were used as input. For the oxide, initially a fluidlike behavior was assumed with nearly perfect sliding and separation; then the parameters of the expansive joint element were modified to fit the experimental results. Changes in the bulk modulus of the oxide barely affected the results and changes in the remaining parameters had a moderate effect on the predicted crack width; however, the deformation of the tube was very sensitive to variations in the parameters of oxide, due to the flexibility of the tube wall, which was crucial for indirect determination of the constitutive parameters of oxide. Finally, definitive simulations of the tests were carried out. The model reproduced the critical corrosion depth and the final behavior of the experimental curves; it was assessed that the variation of inner diameter of the tubes is highly influenced by its relative position with respect to the main crack, in accordance with the experimental observations. From the comparison of the experimental and numerical results, some properties of the mechanical behavior of the oxide were disclosed that otherwise could not have been measured.

On the analytical approach for modeling photovoltaic systems behavior

The 1-diode/2-resistors electric circuit equivalent to a photovoltaic system is analyzed. The equations at particular points of the I–V curve are studied considering the maximum number of terms. The maximum power point as a boundary condition is given special attention. A new analytical method is developed based on a reduced amount of information, consisting in the normal manufacturer data. Results indicate that this new method is faster than numerical methods and has similar (or better) accuracy than other existing methods, numerical or analytical.

Application of global numerical procedures to the analysis of shells

Examples of global solutions of the shell equations are presented, such as the ones based on the well known Levy series expansion. Also discussed are some natural extensions of the Levy method as well as the inherent limitations of these methods concerning the shell model assumptions, boundary conditions and geometric regularity. Finally, some open additional design questions are noted mainly related to the simultaneous use in analysis of these global techniques and the local methods (like the finite elements) to finding the optimal shell shape, and to determining the reinforcement layout.

Numerical simulation of group combustion of pulverized coal

A mathematical model for the group combustion of pulverized coal particles was developed in a previous work. It includes the Lagrangian description of the dehumidification, devolatilization and char gasification reactions of the coal particles in the homogenized gaseous environment resulting from the three fuels, CO, H2 and volatiles, supplied by the gasification of the particles and their simultaneous group combustion by the gas phase oxidation reactions, which are considered to be very fast. This model is complemented here with an analysis of the particle dynamics, determined principally by the effects of aerodynamic drag and gravity, and its dispersion based on a stochastic model. It is also extended to include two other simpler models for the gasification of the particles: the first one for particles small enough to extinguish the surrounding diffusion flames, and a second one for particles with small ash content when the porous shell of ashes remaining after gasification of the char, non structurally stable, is disrupted. As an example of the applicability of the models, they are used in the numerical simulation of an experiment of a non-swirling pulverized coal jet with a nearly stagnant air at ambient temperature, with an initial region of interaction with a small annular methane flame. Computational algorithms for solving the different stages undergone by a coal particle during its combustion are proposed. For the partial differential equations modeling the gas phase, a second order finite element method combined with a semi-Lagrangian characteristics method are used. The results obtained with the three versions of the model are compared among them and show how the first of the simpler models fits better the experimental results.

Modeling the shape hierarchy for visually guided grasping

The monkey anterior intraparietal area (AIP) encodes visual information about three-dimensional object shape that is used to shape the hand for grasping. We modeled shape tuning in visual AIP neurons and its relationship with curvature and gradient information from the caudal intraparietal area (CIP). The main goal was to gain insight into the kinds of shape parameterizations that can account for AIP tuning and that are consistent with both the inputs to AIP and the role of AIP in grasping. We first experimented with superquadric shape parameters. We considered superquadrics because they occupy a role in robotics that is similar to AIP , in that superquadric fits are derived from visual input and used for grasp planning. We also experimented with an alternative shape parameterization that was based on an Isomap dimension reduction of spatial derivatives of depth (i.e., distance from the observer to the object surface). We considered an Isomap-based model because its parameters lacked discontinuities between similar shapes. When we matched the dimension of the Isomap to the number of superquadric parameters, the superquadric model fit the AIP data somewhat more closely. However, higher-dimensional Isomaps provided excellent fits. Also, we found that the Isomap parameters could be approximated much more accurately than superquadric parameters by feedforward neural networks with CIP-like inputs. We conclude that Isomaps, or perhaps alternative dimension reductions of visual inputs to AIP, provide a promising model of AIP electrophysiology data. Further work is needed to test whether such shape parameterizations actually provide an effective basis for grasp control.

Finite element code-based modeling of a multi-feature isolation system and passive alleviation of possible inner pounding

The existing seismic isolation systems are based on well-known and accepted physical principles, but they are still having some functional drawbacks. As an attempt of improvement, the Roll-N-Cage (RNC) isolator has been recently proposed. It is designed to achieve a balance in controlling isolator displacement demands and structural accelerations. It provides in a single unit all the necessary functions of vertical rigid support, horizontal flexibility with enhanced stability, resistance to low service loads and minor vibration, and hysteretic energy dissipation characteristics. It is characterized by two unique features that are a self-braking (buffer) and a self-recentering mechanism. This paper presents an advanced representation of the main and unique features of the RNC isolator using an available finite element code called SAP2000. The validity of the obtained SAP2000 model is then checked using experimental, numerical and analytical results. Then, the paper investigates the merits and demerits of activating the built-in buffer mechanism on both structural pounding mitigation and isolation efficiency. The paper addresses the problem of passive alleviation of possible inner pounding within the RNC isolator, which may arise due to the activation of its self-braking mechanism under sever excitations such as near-fault earthquakes. The results show that the obtained finite element code-based model can closely match and accurately predict the overall behavior of the RNC isolator with effectively small errors. Moreover, the inherent buffer mechanism of the RNC isolator could mitigate or even eliminate direct structure-tostructure pounding under severe excitation considering limited septation gaps between adjacent structures. In addition, the increase of inherent hysteretic damping of the RNC isolator can efficiently limit its peak displacement together with the severity of the possibly developed inner pounding and, therefore, alleviate or even eliminate the possibly arising negative effects of the buffer mechanism on the overall RNC-isolated structural responses.

Polyolefin fibre-reinforced concrete : from material behaviour to numerical and design considerations

La presente Tesis proporciona una gran cantidad de información con respecto al uso de un nuevo y avanzado material polimérico (con base de poliolefina) especialmente adecuada para ser usada en forma de fibras como adición en el hormigón. Se han empleado fibras de aproximadamente 1 mm de diámetro, longitudes entre 48 y 60 mm y una superficie corrugada. Las prometedoras propiedades de este material (baja densidad, bajo coste, buen comportamiento resistente y gran estabilidad química) justifican el interés en desarrollar el esfuerzo de investigación requerido para demostrar las ventajas de su uso en aplicaciones prácticas. La mayor parte de la investigación se ha realizado usando hormigón autocompactante como matriz, ya que este material es óptimo para el relleno de los encofrados del hormigón, aunque también se ha empleado hormigón normal vibrado con el fin de comparar algunas propiedades. Además, el importante desarrollo del hormigón reforzado con fibras en los últimos años, tanto en investigación como en aplicaciones prácticas, también es muestra del gran interés que los resultados y consideraciones de diseño que esta Tesis pueden tener. El material compuesto resultante, Hormigón Reforzado con Fibras de Poliolefina (HRFP o PFRC por sus siglas inglesas) ha sido exhaustivamente ensayado y estudiado en muchos aspectos. Los resultados permiten establecer cómo conseguidos los objetivos buscados: -Se han cuantificado las propiedades mecánicas del PFRC con el fin de demostrar su buen comportamiento en la fase fisurada de elementos estructurales sometidos a tensiones de tracción. -Contrastar los resultados obtenidos con las bases propuestas en la normativa existente y evaluar las posibilidades para el uso del PFRC con fin estructural para sustituir el armado tradicional con barras de acero corrugado para determinadas aplicaciones. -Se han desarrollado herramientas de cálculo con el fin de evaluar la capacidad del PFRC para sustituir al hormigón armado con las barras habituales de acero. -En base a la gran cantidad de ensayos experimentales y a alguna aplicación real en la construcción, se han podido establecer recomendaciones y consejos de diseño para que elementos de este material puedan ser proyectados y construidos con total fiabilidad. Se presentan, además, resultados prometedores en una nueva línea de trabajo en el campo del hormigón reforzado con fibras combinando dos tipologías de fibras. Se combinaron fibras de poliolefina con fibras de acero como refuerzo del mismo hormigón autocompactante detectándose sinergias que podrían ser la base del uso futuro de esta tecnología de hormigón. This thesis provides a significant amount of information on the use of a new advanced polymer (polyolefin-based) especially suitable in the form of fibres to be added to concrete. At the time of writing, there is a noteworthy lack of research and knowledge about use as a randomly distributed element to reinforce concrete. Fibres with an approximate 1 mm diameter, length of 48-60 mm, an embossed surface and improved mechanical properties are employed. The promising properties of the polyolefin material (low density, inexpensive, and with good strength behaviour and high chemical stability) justify the research effort involved and demonstrate the advantages for practical purposes. While most of the research has used self-compacting concrete, given that this type of matrix material is optimum in filling the concrete formwork, for comparison purposes standard vibration compacted mixes have also been used. In addition, the interest in fibre-reinforced concrete technology, in both research and application, support the significant interest in the results and considerations provided by the thesis. The resulting composite material, polyolefin fibre reinforced concrete (PFRC) has been extensively tested and studied. The results have allowed the following objectives to be met: -Assessment of the mechanical properties of PFRC in order to demonstrate the good performance in the post-cracking strength for structural elements subjected to tensile stresses. -- Assessment of the results in contrast with the existing structural codes, regulations and test methods. The evaluation of the potential of PFRC to meet the requirements and replace traditional steel-bar reinforcement applications. -Development of numerical tools designed to evaluate the capability of PFRC to substitute, either partially or totally, standard steel reinforcing bars either alone or in conjunction with steel fibres. -Provision, based on the large amount of experimental work and real applications, of a series of guidelines and recommendations for the practical and reliable design and use of PFRC. Furthermore, the thesis also reports promising results about an innovative line in the field of fibre-reinforced concrete: the design of a fibre cocktail to reinforce the concrete by using two types of fibres simultaneously. Polyolefin fibres were combined with steel fibres in self-compacting concrete, identifying synergies that could serve as the base in the future use of fibre-reinforced concrete technology.

Hydrodynamic forces on heave plates for offshore systems oscillating close to the seabed or the free surface

La energía eólica marina es uno de los recursos energéticos con mayor proyección pudiendo contribuir a reducir el consumo de combustibles fósiles y a cubrir la demanda de energía en todo el mundo. El concepto de aerogenerador marino está basado en estructuras fijas como jackets o en plataformas flotantes, ya sea una semisumergible o una TLP. Se espera que la energía eólica offshore juegue un papel importante en el perfil de producción energética de los próximos años; por tanto, las turbinas eólicas deben hacerse más fables y rentables para ser competitivas frente a otras fuentes de energía. Las estructuras flotantes pueden experimentar movimientos resonantes en estados de la mar con largos períodos de oleaje. Estos movimientos disminuyen su operatividad y pueden causar daños en los componentes eléctricos de las turbinas y en las palas, también en los risers y moorings. La respuesta de la componente vertical del movimiento puede reducirse mediante diferentes actuaciones: (1) aumentando la amortiguación del sistema, (2) manteniendo el período del movimiento vertical fuera del rango de la energía de la ola, y (3) reduciendo las fuerzas de excitación verticales. Un ejemplo típico para llevar a cabo esta reducción son las "Heave Plates". Las heave plates son placas que se utilizan en la industria offshore debido a sus características hidrodinámicas, ya que aumentan la masa añadida y la amortiguación del sistema. En un análisis hidrodinámico convencional, se considera una estructura sometida a un oleaje con determinadas características y se evalúan las cargas lineales usando la teoría potencial. El amortiguamiento viscoso, que juega un papel crucial en la respuesta en resonancia del sistema, es un dato de entrada para el análisis. La tesis se centra principalmente en la predicción del amortiguamiento viscoso y de la masa añadida de las heave plates usadas en las turbinas eólicas flotantes. En los cálculos, las fuerzas hidrodinámicas se han obtenido con el f n de estudiar cómo los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida5 y amortiguamiento varían con el número de KC, que caracteriza la amplitud del movimiento respecto al diámetro del disco. Por otra parte, se ha investigado la influencia de la distancia media de la ‘heave plate’ a la superficie libre o al fondo del mar, sobre los coeficientes hidrodinámicos. En este proceso, un nuevo modelo que describe el trabajo realizado por la amortiguación en función de la enstrofía, es descrito en el presente documento. Este nuevo enfoque es capaz de proporcionar una correlación directa entre el desprendimiento local de vorticidad y la fuerza de amortiguación global. El análisis también incluye el estudio de los efectos de la geometría de la heave plate, y examina la sensibilidad de los coeficientes hidrodinámicos al incluir porosidad en ésta. Un diseño novedoso de una heave plate, basado en la teoría fractal, también fue analizado experimentalmente y comparado con datos experimentales obtenidos por otros autores. Para la resolución de las ecuaciones de Navier Stokes se ha usado un solver basado en el método de volúmenes finitos. El solver usa las librerías de OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), para resolver un problema multifásico e incompresible, usando la técnica VOF (volume of fluid) que permite capturar el movimiento de la superficie libre. Los resultados numéricos han sido comparados con resultados experimentales llevados a cabo en el Canal del Ensayos Hidrodinámicos (CEHINAV) de la Universidad Politécnica de Madrid y en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas (CEHIPAR) en Madrid, al igual que con otros experimentos realizados en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Western Australia. Los principales resultados se presentan a continuación: 1. Para pequeños valores de KC, los coeficientes hidrodinámicos de masa añadida y amortiguamiento incrementan su valor a medida que el disco se aproxima al fondo marino. Para los casos cuando el disco oscila cerca de la superficie libre, la dependencia de los coeficientes hidrodinámicos es más fuerte por la influencia del movimiento de la superficie libre. 2. Los casos analizados muestran la existencia de un valor crítico de KC, donde la tendencia de los coeficientes hidrodinámicos se ve alterada. Dicho valor crítico depende de la distancia al fondo marino o a la superficie libre. 3. El comportamiento físico del flujo, para valores de KC cercanos a su valor crítico ha sido estudiado mediante el análisis del campo de vorticidad. 4. Introducir porosidad al disco, reduce la masa añadida para los valores de KC estudiados, pero se ha encontrado que la porosidad incrementa el valor del coeficiente de amortiguamiento cuando se incrementa la amplitud del movimiento, logrando un máximo de damping para un disco con 10% de porosidad. 5. Los resultados numéricos y experimentales para los discos con faldón, muestran que usar este tipo de geometrías incrementa la masa añadida cuando se compara con el disco sólido, pero reduce considerablemente el coeficiente de amortiguamiento. 6. Un diseño novedoso de heave plate basado en la teoría fractal ha sido experimentalmente estudiado a diferentes calados y comparado con datos experimentales obtenidos por otro autores. Los resultados muestran un comportamiento incierto de los coeficientes y por tanto este diseño debería ser estudiado más a fondo. ABSTRACT Offshore wind energy is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. Offshore wind turbine concepts are based on either a fixed structure as a jacket or a floating offshore platform like a semisubmersible, spar or tension leg platform. Floating offshore wind turbines have the potential to be an important part of the energy production profile in the coming years. In order to accomplish this wind integration, these wind turbines need to be made more reliable and cost efficient to be competitive with other sources of energy. Floating offshore artifacts, such oil rings and wind turbines, may experience resonant heave motions in sea states with long peak periods. These heave resonances may increase the system downtime and cause damage on the system components and as well as on risers and mooring systems. The heave resonant response may be reduced by different means: (1) increasing the damping of the system, (2) keeping the natural heave period outside the range of the wave energy, and (3) reducing the heave excitation forces. A typical example to accomplish this reduction are “Heave Plates”. Heave plates are used in the offshore industry due to their hydrodynamic characteristics, i.e., increased added mass and damping. Conventional offshore hydrodynamic analysis considers a structure in waves, and evaluates the linear and nonlinear loads using potential theory. Viscous damping, which is expected to play a crucial role in the resonant response, is an empirical input to the analysis, and is not explicitly calculated. The present research has been mainly focused on the prediction of viscous damping and added mass of floating offshore wind turbine heave plates. In the calculations, the hydrodynamic forces have been measured in order to compute how the hydrodynamic coefficients of added mass1 and damping vary with the KC number, which characterises the amplitude of heave motion relative to the diameter of the disc. In addition, the influence on the hydrodynamic coefficients when the heave plate is oscillating close to the free surface or the seabed has been investigated. In this process, a new model describing the work done by damping in terms of the flow enstrophy, is described herein. This new approach is able to provide a direct correlation between the local vortex shedding processes and the global damping force. The analysis also includes the study of different edges geometry, and examines the sensitivity of the damping and added mass coefficients to the porosity of the plate. A novel porous heave plate based on fractal theory has also been proposed, tested experimentally and compared with experimental data obtained by other authors for plates with similar porosity. A numerical solver of Navier Stokes equations, based on the finite volume technique has been applied. It uses the open-source libraries of OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation), to solve 2 incompressible, isothermal immiscible fluids using a VOF (volume of fluid) phase-fraction based interface capturing approach, with optional mesh motion and mesh topology changes including adaptive re-meshing. Numerical results have been compared with experiments conducted at Technical University of Madrid (CEHINAV) and CEHIPAR model basins in Madrid and with others performed at School of Mechanical Engineering in The University of Western Australia. A brief summary of main results are presented below: 1. At low KC numbers, a systematic increase in added mass and damping, corresponding to an increase in the seabed proximity, is observed. Specifically, for the cases when the heave plate is oscillating closer to the free surface, the dependence of the hydrodynamic coefficients is strongly influenced by the free surface. 2. As seen in experiments, a critical KC, where the linear trend of the hydrodynamic coefficients with KC is disrupted and that depends on the seabed or free surface distance, has been found. 3. The physical behavior of the flow around the critical KC has been explained through an analysis of the flow vorticity field. 4. The porosity of the heave plates reduces the added mass for the studied porosity at all KC numbers, but the porous heave plates are found to increase the damping coefficient with increasing amplitude of oscillation, achieving a maximum damping coefficient for the heave plate with 10% porosity in the entire KC range. 5. Another concept taken into account in this work has been the heave plates with flaps. Numerical and experimental results show that using discs with flaps will increase added mass when compared to the plain plate but may also significantly reduce damping. 6. A novel heave plate design based on fractal theory has tested experimentally for different submergences and compared with experimental data obtained by other authors for porous plates. Results show an unclear behavior in the coefficients and should be studied further. Future work is necessary in order to address a series of open questions focusing on 3D effects, optimization of the heave plates shapes, etc.

Multiscale modeling of the plastic behaviour in single crystal tungsten: from atomistic to crystal plasticity simulations

En una planta de fusión, los materiales en contacto con el plasma así como los materiales de primera pared experimentan condiciones particularmente hostiles al estar expuestos a altos flujos de partículas, neutrones y grandes cargas térmicas. Como consecuencia de estas diferentes y complejas condiciones de trabajo, el estudio, desarrollo y diseño de estos materiales es uno de los más importantes retos que ha surgido en los últimos años para la comunidad científica en el campo de los materiales y la energía. Debido a su baja tasa de erosión, alta resistencia al sputtering, alta conductividad térmica, muy alto punto de fusión y baja retención de tritio, el tungsteno (wolframio) es un importante candidato como material de primera pared y como posible material estructural avanzado en fusión por confinamiento magnético e inercial. Sin embargo, el tiempo de vida del tungsteno viene controlado por diversos factores como son su respuesta termo-mecánica en la superficie, la posibilidad de fusión y el fallo por acumulación de helio. Es por ello que el tiempo de vida limitado por la respuesta mecánica del tungsteno (W), y en particular su fragilidad, sean dos importantes aspectos que tienes que ser investigados. El comportamiento plástico en materiales refractarios con estructura cristalina cúbica centrada en las caras (bcc) como el tungsteno está gobernado por las dislocaciones de tipo tornillo a escala atómica y por conjuntos e interacciones de dislocaciones a escalas más grandes. El modelado de este complejo comportamiento requiere la aplicación de métodos capaces de resolver de forma rigurosa cada una de las escalas. El trabajo que se presenta en esta tesis propone un modelado multiescala que es capaz de dar respuestas ingenieriles a las solicitudes técnicas del tungsteno, y que a su vez está apoyado por la rigurosa física subyacente a extensas simulaciones atomísticas. En primer lugar, las propiedades estáticas y dinámicas de las dislocaciones de tipo tornillo en cinco potenciales interatómicos de tungsteno son comparadas, determinando cuáles de ellos garantizan una mayor fidelidad física y eficiencia computacional. Las grandes tasas de deformación asociadas a las técnicas de dinámica molecular hacen que las funciones de movilidad de las dislocaciones obtenidas no puedan ser utilizadas en los siguientes pasos del modelado multiescala. En este trabajo, proponemos dos métodos alternativos para obtener las funciones de movilidad de las dislocaciones: un modelo Monte Cario cinético y expresiones analíticas. El conjunto de parámetros necesarios para formular el modelo de Monte Cario cinético y la ley de movilidad analítica son calculados atomísticamente. Estos parámetros incluyen, pero no se limitan a: la determinación de las entalpias y energías de formación de las parejas de escalones que forman las dislocaciones, la parametrización de los efectos de no Schmid característicos en materiales bcc,etc. Conociendo la ley de movilidad de las dislocaciones en función del esfuerzo aplicado y la temperatura, se introduce esta relación como ecuación de flujo dentro de un modelo de plasticidad cristalina. La predicción del modelo sobre la dependencia del límite de fluencia con la temperatura es validada experimentalmente con ensayos uniaxiales en tungsteno monocristalino. A continuación, se calcula el límite de fluencia al aplicar ensayos uniaxiales de tensión para un conjunto de orientaciones cristalográticas dentro del triángulo estándar variando la tasa de deformación y la temperatura de los ensayos. Finalmente, y con el objetivo de ser capaces de predecir una respuesta más dúctil del tungsteno para una variedad de estados de carga, se realizan ensayos biaxiales de tensión sobre algunas de las orientaciones cristalográficas ya estudiadas en función de la temperatura.-------------------------------------------------------------------------ABSTRACT ----------------------------------------------------------Tungsten and tungsten alloys are being considered as leading candidates for structural and functional materials in future fusion energy devices. The most attractive properties of tungsten for the design of magnetic and inertial fusion energy reactors are its high melting point, high thermal conductivity, low sputtering yield and low longterm disposal radioactive footprint. However, tungsten also presents a very low fracture toughness, mostly associated with inter-granular failure and bulk plasticity, that limits its applications. As a result of these various and complex conditions of work, the study, development and design of these materials is one of the most important challenges that have emerged in recent years to the scientific community in the field of materials for energy applications. The plastic behavior of body-centered cubic (bcc) refractory metals like tungsten is governed by the kink-pair mediated thermally activated motion of h¿ (\1 11)i screw dislocations on the atomistic scale and by ensembles and interactions of dislocations at larger scales. Modeling this complex behavior requires the application of methods capable of resolving rigorously each relevant scale. The work presented in this thesis proposes a multiscale model approach that gives engineering-level responses to the technical specifications required for the use of tungsten in fusion energy reactors, and it is also supported by the rigorous underlying physics of extensive atomistic simulations. First, the static and dynamic properties of screw dislocations in five interatomic potentials for tungsten are compared, determining which of these ensure greater physical fidelity and computational efficiency. The large strain rates associated with molecular dynamics techniques make the dislocation mobility functions obtained not suitable to be used in the next steps of the multiscale model. Therefore, it is necessary to employ mobility laws obtained from a different method. In this work, we suggest two alternative methods to get the dislocation mobility functions: a kinetic Monte Carlo model and analytical expressions. The set of parameters needed to formulate the kinetic Monte Carlo model and the analytical mobility law are calculated atomistically. These parameters include, but are not limited to: enthalpy and energy barriers of kink-pairs as a function of the stress, width of the kink-pairs, non-Schmid effects ( both twinning-antitwinning asymmetry and non-glide stresses), etc. The function relating dislocation velocity with applied stress and temperature is used as the main source of constitutive information into a dislocation-based crystal plasticity framework. We validate the dependence of the yield strength with the temperature predicted by the model against existing experimental data of tensile tests in singlecrystal tungsten, with excellent agreement between the simulations and the measured data. We then extend the model to a number of crystallographic orientations uniformly distributed in the standard triangle and study the effects of temperature and strain rate. Finally, we perform biaxial tensile tests and provide the yield surface as a function of the temperature for some of the crystallographic orientations explored in the uniaxial tensile tests.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

Sobre el comportamiento de micropilotes trabajando a flexión y/o cortante en estructuras de tierra

El empleo de los micropilotes en la ingeniería civil ha revolucionado las técnicas de estabilización de terraplenes a media ladera, ya que aunque los pilotes pueden ser la opción más económica, el uso de micropilotes permite llegar a sitios inaccesibles con menor coste de movimientos de tierras, realización de plataformas de trabajo de dimensiones reducidas, maquinaria necesaria es mucho más pequeña, liviana y versátil en su uso, incluyendo la posibilidad de situar la fabricación de morteros o lechadas a distancias de varias decenas de metros del elemento a ejecutar. Sin embargo, realizando una revisión de la documentación técnica que se tiene en el ámbito ingenieril, se comprobó que los sistemas de diseño de algunos casos (micropilotes en terraplenes a media ladera, micropilotes en pantallas verticales, micropilotes como “paraguas” en túneles, etc.) eran bastante deficientes o poco desarrollados. Premisa que permite concluir que el constructor ha ido por delante (como suele ocurrir en ingeniería geotécnica) del cálculo o de su análisis teórico. Del mismo modo se determinó que en su mayoría los micropilotes se utilizan en labores de recalce o como nueva solución de cimentación en condiciones de difícil acceso, casos en los que el diseño de los micropilotes viene definido por cargas axiales, de compresión o de tracción, consideraciones que se contemplan en reglamentaciones como la “Guía para el proyecto y la ejecución de micropilotes en obras de carretera” del Ministerio de Fomento. En los micropilotes utilizados para estabilizar terraplenes a media ladera y micropilotes actuando como muros pantalla, en los que éstos trabajan a esfuerzo cortante y flexión, no se dispone de sistemas de análisis fiables o no se introduce adecuadamente el problema de interacción terreno-micropilote. Además en muchos casos, los parámetros geotécnicos que se utilizan no tienen una base técnico-teórica adecuada por lo que los diseños pueden quedar excesivamente del lado de la seguridad, en la mayoría de los casos, o todo lo contrario. Uno de los objetivos principales de esta investigación es estudiar el comportamiento de los micropilotes que están sometidos a esfuerzos de flexión y cortante, además de otros objetivos de gran importancia que se describen en el apartado correspondiente de esta tesis. Cabe indicar que en este estudio no se ha incluido el caso de micropilotes quasi-horizontales trabajando a flexion (como los “paraguas” en túneles), por considerarse que estos tienen un comportamiento y un cálculo diferente, que está fuera del alcance de esta investigación. Se ha profundizado en el estudio del empleo de micropilotes en taludes, presentando casos reales de obras ejecutadas, datos estadísticos, problemas de diseño y ejecución, métodos de cálculo simplificados y modelación teórica en cada caso, efectuada mediante el empleo de elementos finitos con el Código Plaxis 2D. Para llevar a cabo los objetivos que se buscan con esta investigación, se ha iniciado con el desarrollo del “Estado del Arte” que ha permitido establecer tipología, aplicaciones, características y cálculo de los micropilotes que se emplean habitualmente. Seguidamente y a efectos de estudiar el problema dentro de un marco geotécnico real, se ha seleccionado una zona española de actuación, siendo ésta Andalucía, en la que se ha utilizado de manera muy importante la técnica de micropilotes sobre todo en problemas de estabilidad de terraplenes a media ladera. A partir de ahí, se ha realizado un estudio de las propiedades geotécnicas de los materiales (principalmente suelos y rocas muy blandas) que están presentes en esta zona geográfica, estudio que ha sido principalmente bibliográfico o a partir de la experiencia en la zona del Director de esta tesis. Del análisis realizado se han establecido ordenes de magnitud de los parámetros geotécnicos, principalmente la cohesión y el ángulo de rozamiento interno (además del módulo de deformación aparente o de un módulo de reacción lateral equivalente) para los diversos terrenos andaluces. Con el objeto de conocer el efecto de la ejecución de un micropilote en el terreno (volumen medio real del micropilote, una vez ejecutado; efecto de la presión aplicada en las propiedades del suelo circundante, etc.) se ha realizado una encuesta entre diversas empresas españolas especializadas en la técnica de los micropilotes, a efectos de controlar los volúmenes de inyección y las presiones aplicadas, en función de la deformabilidad del terreno circundante a dichos micropilotes, con lo que se ha logrado definir una rigidez a flexión equivalente de los mismos y la definición y características de una corona de terreno “mejorado” lograda mediante la introducción de la lechada y el efecto de la presión alrededor del micropilote. Con las premisas anteriores y a partir de los parámetros geotécnicos determinados para los terrenos andaluces, se ha procedido a estudiar la estabilidad de terraplenes apoyados sobre taludes a media ladera, mediante el uso de elementos finitos con el Código Plaxis 2D. En el capítulo 5. “Simulación del comportamiento de micropilotes estabilizando terraplenes”, se han desarrollado diversas simulaciones. Para empezar se simplificó el problema simulando casos similares a algunos reales en los que se conocía que los terraplenes habían llegado hasta su situación límite (de los que se disponía información de movimientos medidos con inclinómetros), a partir de ahí se inició la simulación de la inestabilidad para establecer el valor de los parámetros de resistencia al corte del terreno (mediante un análisis retrospectivo – back-análisis) comprobando a su vez que estos valores eran similares a los deducidos del estudio bibliográfico. Seguidamente se han introducido los micropilotes en el borde de la carretera y se ha analizado el comportamiento de éstos y del talud del terraplén (una vez construidos los micropilotes), con el objeto de establecer las bases para su diseño. De este modo y adoptando los distintos parámetros geotécnicos establecidos para los terrenos andaluces, se simularon tres casos reales (en Granada, Málaga y Ceuta), comparando los resultados de dichas simulaciones numéricas con los resultados de medidas reales de campo (desplazamientos del terreno, medidos con inclinómetros), obteniéndose una reproducción bastante acorde a los movimientos registrados. Con las primeras simulaciones se concluye que al instalar los micropilotes la zona más insegura de la ladera es la de aguas abajo. La superficie de rotura ya no afecta a la calzada que protegen los micropilotes. De ahí que se deduzca que esta solución sea válida y se haya aplicado masivamente en Andalucía. En esas condiciones, podría decirse que no se está simulando adecuadamente el trabajo de flexión de los micropilotes (en la superficie de rotura, ya que no les corta), aunque se utilicen elementos viga. Por esta razón se ha realizado otra simulación, basada en las siguientes hipótesis: − Se desprecia totalmente la masa potencialmente deslizante, es decir, la que está por delante de la fila exterior de micros. − La estratigrafía del terreno es similar a la considerada en las primeras simulaciones. − La barrera de micropilotes está constituida por dos elementos inclinados (uno hacia dentro del terraplén y otro hacia fuera), con inclinación 1(H):3(V). − Se puede introducir la rigidez del encepado. − Los micros están separados 0,556 m ó 1,00 m dentro de la misma alineación. − El empotramiento de los micropilotes en el sustrato resistente puede ser entre 1,5 y 7,0 m. Al “anular” el terreno que está por delante de los micropilotes, a lo largo del talud, estos elementos empiezan claramente a trabajar, pudiendo deducirse los esfuerzos de cortante y de flexión que puedan actuar sobre ellos (cota superior pero prácticamente muy cerca de la solución real). En esta nueva modelación se ha considerado tanto la rigidez equivalente (coeficiente ϴ) como la corona de terreno tratado concéntrico al micropilote. De acuerdo a esto último, y gracias a la comparación de estas modelaciones con valores reales de movimientos en laderas instrumentadas con problemas de estabilidad, se ha verificado que existe una similitud bastante importante entre los valores teóricos obtenidos y los medidos en campo, en relación al comportamiento de los micropilotes ejecutados en terraplenes a media ladera. Finalmente para completar el análisis de los micropilotes trabajando a flexión, se ha estudiado el caso de micropilotes dispuestos verticalmente, trabajando como pantallas discontinuas provistas de anclajes, aplicado a un caso real en la ciudad de Granada, en la obra “Hospital de Nuestra Señora de la Salud”. Para su análisis se utilizó el código numérico CYPE, basado en que la reacción del terreno se simula con muelles de rigidez Kh o “módulo de balasto” horizontal, introduciendo en la modelación como variables: a) Las diferentes medidas obtenidas en campo; b) El espesor de terreno cuaternario, que por lo que se pudo determinar, era variable, c) La rigidez y tensión inicial de los anclajes. d) La rigidez del terreno a través de valores relativos de Kh, recopilados en el estudio de los suelos de Andalucía, concretamente en la zona de Granada. Dicha pantalla se instrumentó con 4 inclinómetros (introducidos en los tubos de armadura de cuatro micropilotes), a efectos de controlar los desplazamientos horizontales del muro de contención durante las excavaciones pertinentes, a efectos de comprobar la seguridad del conjunto. A partir del modelo de cálculo desarrollado, se ha comprobado que el valor de Kh pierde importancia debido al gran número de niveles de anclajes, en lo concerniente a las deformaciones horizontales de la pantalla. Por otro lado, los momentos flectores son bastante sensibles a la distancia entre anclajes, al valor de la tensión inicial de los mismos y al valor de Kh. Dicho modelo también ha permitido reproducir de manera fiable los valores de desplazamientos medidos en campo y deducir los parámetros de deformabilidad del terreno, Kh, con valores del orden de la mitad de los medidos en el Metro Ligero de Granada, pero visiblemente superiores a los deducibles de ábacos que permiten obtener Kh para suelos granulares con poca cohesión (gravas y cuaternario superior de Sevilla) como es el caso del ábaco de Arozamena, debido, a nuestro juicio, a la cementación de los materiales presentes en Granada. En definitiva, de las anteriores deducciones se podría pensar en la optimización del diseño de los micropilotes en las obras que se prevean ejecutar en Granada, con similares características al caso de la pantalla vertical arriostrada mediante varios niveles de anclajes y en las que los materiales de emplazamiento tengan un comportamiento geotécnico similar a los estudiados, con el consiguiente ahorro económico. Con todo ello, se considera que se ha hecho una importante aportación para el diseño de futuras obras de micropilotes, trabajando a flexión y cortante, en obras de estabilización de laderas o de excavaciones. Using micropiles in civil engineering has transformed the techniques of stabilization of embankments on the natural or artificial slopes, because although the piles may be the cheapest option, the use of micropiles can reach inaccessible places with lower cost of earthworks, carrying out small work platforms. Machinery used is smaller, lightweight and versatile, including the possibility of manufacturing mortars or cement grouts over distances of several tens of meters of the element to build. However, making a review of the technical documentation available in the engineering field, it was found that systems designed in some cases (micropiles in embankments on the natural slopes, micropiles in vertical cut-off walls, micropiles like "umbrella" in tunnels, etc.) were quite poor or underdeveloped. Premise that concludes the builder has gone ahead (as usually happen in geotechnical engineering) of calculation or theoretical analysis. In the same way it was determined that most of the micropiles are used in underpinning works or as a new foundation solution in conditions of difficult access, in which case the design of micropiles is defined by axial, compressive or tensile loads, considered in regulations as the " Handbook for the design and execution of micropiles in road construction" of the Ministry of Development. The micropiles used to stabilize embankments on the slopes and micropiles act as retaining walls, where they work under shear stress and bending moment, there are not neither reliable systems analysis nor the problem of soil-micropile interaction are properly introduced. Moreover, in many cases, the geotechnical parameters used do not have a proper technical and theoretical basis for what designs may be excessively safe, or the opposite, in most cases. One of the main objectives of this research is to study the behavior of micro piles which are subjected to bending moment and shear stress, as well as other important objectives described in the pertinent section of this thesis. It should be noted that this study has not included the case of quasi-horizontal micropiles working bending moment (as the "umbrella" in tunnels), because it is considered they have a different behavior and calculation, which is outside the scope of this research. It has gone in depth in the study of using micropiles on slopes, presenting real cases of works made, statistics, problems of design and implementation, simplified calculation methods and theoretical modeling in each case, carried out by using FEM (Finite Element Method) Code Plaxis 2D. To accomplish the objectives of this research, It has been started with the development of the "state of the art" which stipulate types, applications, characteristics and calculation of micropiles that are commonly used. In order to study the problem in a real geotechnical field, it has been selected a Spanish zone of action, this being Andalusia, in which it has been used in a very important way, the technique of micropiles especially in embankments stability on natural slopes. From there, it has made a study of the geotechnical properties of the materials (mainly very soft soils and rocks) that are found in this geographical area, which has been mainly a bibliographic study or from the experience in the area of the Director of this thesis. It has been set orders of magnitude of the geotechnical parameters from analyzing made, especially the cohesion and angle of internal friction (also apparent deformation module or a side reaction module equivalent) for various typical Andalusian ground. In order to determine the effect of the implementation of a micropile on the ground (real average volume of micropile once carried out, effect of the pressure applied on the properties of the surrounding soil, etc.) it has conducted a survey among various skilled companies in the technique of micropiles, in order to control injection volumes and pressures applied, depending on the deformability of surrounding terrain such micropiles, whereby it has been possible to define a bending stiffness and the definition and characteristics of a crown land "improved" achieved by introducing the slurry and the effect of the pressure around the micropile. With the previous premises and from the geotechnical parameters determined for the Andalusian terrain, we proceeded to study the stability of embankments resting on batters on the slope, using FEM Code Plaxis 2D. In the fifth chapter "Simulation of the behavior of micropiles stabilizing embankments", there were several different numerical simulations. To begin the problem was simplified simulating similar to some real in which it was known that the embankments had reached their limit situation (for which information of movements measured with inclinometers were available), from there the simulation of instability is initiated to set the value of the shear strength parameters of the ground (by a retrospective analysis or back-analysis) checking these values were similar to those deduced from the bibliographical study Then micropiles have been introduced along the roadside and its behavior was analyzed as well as the slope of embankment (once micropiles were built ), in order to establish the basis for its design. In this way and taking the different geotechnical parameters for the Andalusian terrain, three real cases (in Granada, Malaga and Ceuta) were simulated by comparing the results of these numerical simulations with the results of real field measurements (ground displacements measured with inclinometers), getting quite consistent information according to registered movements. After the first simulations it has been concluded that after installing the micropiles the most insecure area of the natural slope is the downstream. The failure surface no longer affects the road that protects micropiles. Hence it is inferred that this solution is acceptable and it has been massively applied in Andalusia. Under these conditions, one could say that it is not working properly simulating the bending moment of micropiles (on the failure surface, and that does not cut them), although beam elements are used. Therefore another simulation was performed based on the following hypotheses: − The potentially sliding mass is totally neglected, that is, which is ahead of the outer row of micropiles. − Stratigraphy field is similar to the one considered in the first simulations. − Micropiles barrier is constituted by two inclined elements (one inward and one fill out) with inclination 1 (H): 3 (V). − You can enter the stiffness of the pile cap. − The microlies lines are separated 0.556 m or 1.00 m in the same alignment. − The embedding of the micropiles in the tough substrate can be between 1.5 and 7.0 m. To "annul" the ground that is in front of the micro piles, along the slope, these elements clearly start working, efforts can be inferred shear stress and bending moment which may affect them (upper bound but pretty close to the real) solution. In this new modeling it has been considered both equivalent stiffness coefficient (θ) as the treated soil crown concentric to the micropile. According to the latter, and by comparing these values with real modeling movements on field slopes instrumented with stability problems, it was verified that there is quite a significant similarity between the obtained theoretical values and the measured field in relation to the behavior of micropiles executed in embankments along the natural slope. Finally to complete the analysis of micropiles working in bending conditions, we have studied the case of micropiles arranged vertically, working as discontinued cut-off walls including anchors, applied to a real case in the city of Granada, in the play "Hospital of Our Lady of the Health ". CYPE numeric code, based on the reaction of the ground is simulated spring stiffness Kh or "subgrade" horizontal, introduced in modeling was used as variables for analysis: a) The different measurements obtained in field; b) The thickness of quaternary ground, so that could be determined, was variable, c) The stiffness and the prestress of the anchors. d) The stiffness of the ground through relative values of Kh, collected in the study of soils in Andalusia, particularly in the area of Granada. (previously study of the Andalusia soils) This cut-off wall was implemented with 4 inclinometers (introduced in armor tubes four micropiles) in order to control the horizontal displacements of the retaining wall during the relevant excavations, in order to ensure the safety of the whole. From the developed model calculation, it was found that the value of Kh becomes less important because a large number of anchors levels, with regard to the horizontal deformation of the cut-off wall. On the other hand, the bending moments are quite sensitive to the distance between anchors, the initial voltage value thereof and the value of Kh. This model has also been reproduced reliably displacement values measured in the field and deduce parameters terrain deformability, Kh, with values around half the measured Light Rail in Granada, but visibly higher than deductible of abacuses which can obtain Kh for granular soils with low cohesion (upper Quaternary gravels and Sevilla) such as Abacus Arozamena, because, in our view, to cementing materials in Granada. In short, previous deductions you might think on optimizing the design of micropiles in the works that are expected to perform in Granada, with similar characteristics to the case of the vertical cut-off wall braced through several levels of anchors and in which materials location have a geotechnical behavior similar to those studied, with the consequent economic savings. With all this, it is considered that a significant contribution have been made for the design of future works of micropiles, bending moment and shear stress working in slope stabilization works or excavations.

Dynamic interactions between solids and viscous liquids with free surface = Interacciones dinámicas entre sólidos y líquidos viscosos con superficie libre

En esta tesis se investiga la interacción entre un fluido viscoso y un cuerpo sólido en presencia de una superficie libre. El problema se expresa teóricamente poniendo especial atención a los aspectos de conservación de energía y de la interacción del fluido con el cuerpo. El problema se considera 2D y monofásico, y un desarrollo matemático permite una descomposición de los términos disipativos en términos relacionados con la superficie libre y términos relacionados con la enstrofía. El modelo numérico utilizado en la tesis se basa en el método sin malla Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). De manera análoga a lo que se hace a nivel continuo, las propiedades de conservación se estudian en la tesis con el sistema discreto de partículas. Se tratan también las condiciones de contorno de un cuerpo que se mueve en un flujo viscoso, implementadas con el método ghost-fluid. Se ha desarrollado un algoritmo explícito de interacción fluido / cuerpo. Se han documentado algunos casos de modo detallado con el objetivo de comprobar la capacidad del modelo para reproducir correctamente la disipación de energía y el movimiento del cuerpo. En particular se ha investigado la atenuación de una onda estacionaria, comparando la simulación numérica con predicciones teóricas. Se han realizado otras pruebas para monitorizar la disipación de energía para flujos más violentos que implican la fragmentación de la superficie libre. La cantidad de energía disipada con los diferentes términos se ha evaluado en los casos estudiados con el modelo numérico. Se han realizado otras pruebas numéricas para verificar la técnica de modelización de la interacción fluido / cuerpo, concretamente las fuerzas ejercidas por las olas en cuerpos con formas simples, y el equilibrio de un cuerpo flotante con una forma compleja. Una vez que el modelo numérico ha sido validado, se han realizado simulaciones numéricas para obtener una comprensión más completa de la física implicada en casos (casi) realistas sobre los había aspectos que no se conocían suficientemente. En primer lugar se ha estudiado el el flujo alrededor de un cilindro bajo la superficie libre. El estudio se ha realizado con un número de Reynolds moderado, para un rango de inmersiones del cilindro y números de Froude. La solución numérica permite una investigación de los patrones complejos que se producen. La estela del cilindro interactúa con la superficie libre. Se han identificado algunos inestabilidades características. El segundo estudio se ha realizado sobre el problema de sloshing, tanto experimentalmente como numéricamente. El análisis se restringe a aguas poco profundas y con oscilación horizontal, pero se ha estudiado un gran número de condiciones, lo que lleva a una comprensión bastante completa de los sistemas de onda involucradas. La última parte de la tesis trata también sobre un problema de sloshing pero esta vez el tanque está oscilando con rotación y hay acoplamiento con un sistema mecánico. El sistema se llama pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper - con líquido amortiguador). Este tipo de sistema se utiliza normalmente para la amortiguación de las estructuras civiles. El análisis se ha realizado analíticamente, numéricamente y experimentalmente utilizando líquidos con viscosidades diferentes, centrándose en características no lineales y mecanismos de disipación. ABSTRA C T The subject of the present thesis is the interaction between a viscous fluid and a solid body in the presence of a free surface. The problem is expressed first theoretically with a particular focus on the energy conservation and the fluid-body interaction. The problem is considered 2D and monophasic, and some mathematical development allows for a decomposition of the energy dissipation into terms related to the Free Surface and others related to the enstrophy. The numerical model used on the thesis is based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH): a computational method that works by dividing the fluid into particles. Analogously to what is done at continuum level, the conservation properties are studied on the discrete system of particles. Additionally the boundary conditions for a moving body in a viscous flow are treated and discussed using the ghost-fluid method. An explicit algorithm for handling fluid-body coupling is also developed. Following these theoretical developments on the numerical model, some test cases are devised in order to test the ability of the model to correctly reproduce the energy dissipation and the motion of the body. The attenuation of a standing wave is used to compare what is numerically simulated to what is theoretically predicted. Further tests are done in order to monitor the energy dissipation in case of more violent flows involving the fragmentation of the free-surface. The amount of energy dissipated with the different terms is assessed with the numerical model. Other numerical tests are performed in order to test the fluid/body interaction method: forces exerted by waves on simple shapes, and equilibrium of a floating body with a complex shape. Once the numerical model has been validated, numerical tests are performed in order to get a more complete understanding of the physics involved in (almost) realistic cases. First a study is performed on the flow passing a cylinder under the free surface. The study is performed at moderate Reynolds numbers, for various cylinder submergences, and various Froude numbers. The capacity of the numerical solver allows for an investigation of the complex patterns which occur. The wake from the cylinder interacts with the free surface, and some characteristical flow mechanisms are identified. The second study is done on the sloshing problem, both experimentally and numerically. The analysis is restrained to shallow water and horizontal excitation, but a large number of conditions are studied, leading to quite a complete understanding of the wave systems involved. The last part of the thesis still involves a sloshing problem but this time the tank is rolling and there is coupling with a mechanical system. The system is named pendulum-TLD (Tuned Liquid Damper). This kind of system is normally used for damping of civil structures. The analysis is then performed analytically, numerically and experimentally for using liquids with different viscosities, focusing on non-linear features and dissipation mechanisms.