Biosensors based on vertically interrogated optofluidic sensing cells

El objetivo de la presente tesis doctoral es el desarrollo de un nuevo concepto de biosensor óptico sin marcado, basado en una combinación de técnicas de caracterización óptica de interrogación vertical y estructuras sub-micrométricas fabricadas sobre chips de silicio. Las características más importantes de dicho dispositivo son su simplicidad, tanto desde el punto de vista de medida óptica como de introducción de las muestras a medir en el área sensible, aspectos que suelen ser críticos en la mayoría de sensores encontrados en la literatura. Cada uno de los aspectos relacionados con el diseño de un biosensor, que son fundamentalmente cuatro (diseño fotónico, caracterización óptica, fabricación y fluídica/inmovilización química) son desarrollados en detalle en los capítulos correspondientes. En la primera parte de la tesis se hace una introducción al concepto de biosensor, en qué consiste, qué tipos hay y cuáles son los parámetros más comunes usados para cuantificar su comportamiento. Posteriormente se realiza un análisis del estado del arte en la materia, enfocado en particular en el área de biosensores ópticos sin marcado. Se introducen también cuáles son las reacciones bioquímicas a estudiar (inmunoensayos). En la segunda parte se describe en primer lugar cuáles son las técnicas ópticas empleadas en la caracterización: Reflectometría, Elipsometría y Espectrometría; además de los motivos que han llevado a su empleo. Posteriormente se introducen diversos diseños de las denominadas "celdas optofluídicas", que son los dispositivos en los que se va a producir la interacción bioquímica. Se presentan cuatro dispositivos diferentes, y junto con ellos, se proponen diversos métodos de cálculo teórico de la respuesta óptica esperada. Posteriormente se procede al cálculo de la sensibilidad esperada para cada una de las celdas, así como al análisis de los procesos de fabricación de cada una de ellas y su comportamiento fluídico. Una vez analizados todos los aspectos críticos del comportamiento del biosensor, se puede realizar un proceso de optimización de su diseño. Esto se realiza usando un modelo de cálculo simplificado (modelo 1.5-D) que permite la obtención de parámetros como la sensibilidad y el límite de detección de un gran número de dispositivos en un tiempo relativamente reducido. Para este proceso se escogen dos de las celdas optofluídicas propuestas. En la parte final de la tesis se muestran los resultados experimentales obtenidos. En primer lugar, se caracteriza una celda basada en agujeros sub-micrométricos como sensor de índice de refracción, usando para ello diferentes líquidos orgánicos; dichos resultados experimentales presentan una buena correlación con los cálculos teóricos previos, lo que permite validar el modelo conceptual presentado. Finalmente, se realiza un inmunoensayo químico sobre otra de las celdas propuestas (pilares nanométricos de polímero SU-8). Para ello se utiliza el inmunoensayo de albumina de suero bovino (BSA) y su anticuerpo (antiBSA). Se detalla el proceso de obtención de la celda, la funcionalización de la superficie con los bioreceptores (en este caso, BSA) y el proceso de biorreconocimiento. Este proceso permite dar una primera estimación de cuál es el límite de detección esperable para este tipo de sensores en un inmunoensayo estándar. En este caso, se alcanza un valor de 2.3 ng/mL, que es competitivo comparado con otros ensayos similares encontrados en la literatura. La principal conclusión de la tesis es que esta tipología de dispositivos puede ser usada como inmunosensor, y presenta ciertas ventajas respecto a los actualmente existentes. Estas ventajas vienen asociadas, de nuevo, a su simplicidad, tanto a la hora de medir ópticamente, como dentro del proceso de introducción de los bioanalitos en el área sensora (depositando simplemente una gota sobre la micro-nano-estructura). Los cálculos teorícos realizados en los procesos de optimización sugieren a su vez que el comportamiento del sensor, medido en magnitudes como límite de detección biológico puede ser ampliamente mejorado con una mayor compactación de pilares, alcanzandose un valor mínimo de 0.59 ng/mL). The objective of this thesis is to develop a new concept of optical label-free biosensor, based on a combination of vertical interrogation optical techniques and submicron structures fabricated over silicon chips. The most important features of this device are its simplicity, both from the point of view of optical measurement and regarding to the introduction of samples to be measured in the sensing area, which are often critical aspects in the majority of sensors found in the literature. Each of the aspects related to the design of biosensors, which are basically four (photonic design, optical characterization, fabrication and fluid / chemical immobilization) are developed in detail in the relevant chapters. The first part of the thesis consists of an introduction to the concept of biosensor: which elements consists of, existing types and the most common parameters used to quantify its behavior. Subsequently, an analysis of the state of the art in this area is presented, focusing in particular in the area of label free optical biosensors. What are also introduced to study biochemical reactions (immunoassays). The second part describes firstly the optical techniques used in the characterization: reflectometry, ellipsometry and spectrometry; in addition to the reasons that have led to their use. Subsequently several examples of the so-called "optofluidic cells" are introduced, which are the devices where the biochemical interactions take place. Four different devices are presented, and their optical response is calculated by using various methods. Then is exposed the calculation of the expected sensitivity for each of the cells, and the analysis of their fabrication processes and fluidic behavior at the sub-micrometric range. After analyzing all the critical aspects of the biosensor, it can be performed a process of optimization of a particular design. This is done using a simplified calculation model (1.5-D model calculation) that allows obtaining parameters such as sensitivity and the detection limit of a large number of devices in a relatively reduced time. For this process are chosen two different optofluidic cells, from the four previously proposed. The final part of the thesis is the exposition of the obtained experimental results. Firstly, a cell based sub-micrometric holes is characterized as refractive index sensor using different organic fluids, and such experimental results show a good correlation with previous theoretical calculations, allowing to validate the conceptual model presented. Finally, an immunoassay is performed on another typology of cell (SU-8 polymer pillars). This immunoassay uses bovine serum albumin (BSA) and its antibody (antiBSA). The processes for obtaining the cell surface functionalization with the bioreceptors (in this case, BSA) and the biorecognition (antiBSA) are detailed. This immunoassay can give a first estimation of which are the expected limit of detection values for this typology of sensors in a standard immunoassay. In this case, it reaches a value of 2.3 ng/mL, which is competitive with other similar assays found in the literature. The main conclusion of the thesis is that this type of device can be used as immunosensor, and has certain advantages over the existing ones. These advantages are associated again with its simplicity, by the simpler coupling of light and in the process of introduction of bioanalytes into the sensing areas (by depositing a droplet over the micro-nano-structure). Theoretical calculations made in optimizing processes suggest that the sensor Limit of detection can be greatly improved with higher compacting of the lattice of pillars, reaching a minimum value of 0.59 ng/mL).

Análisis del acoplamiento vibro-acústico en resonadores de membrana

El presente Trabajo Fin de Máster pretende llevar a cabo el análisis del comportamiento vibratorio de resonadores de membrana, consistentes en un panel delgado y ligero montado a cierta distancia de un elemento constructivo rígido y pesado. Este tipo de sistemas resonantes son empleados habitualmente como absorbentes de media-baja frecuencia en aplicaciones de acondicionamiento acústico de salas. El análisis hará especial hincapié en la influencia del acoplamiento mecánico-acústico entre la placa vibrante (estructura) y el colchón de aire (fluido) encerrado entre la misma y la pared rígida. En primer lugar, realizaremos el análisis modal experimental del resonador objeto de ensayo a partir de las mediciones de su respuesta vibratoria, con el fin de caracterizar su comportamiento en base a sus primeros modos propios acoplados de flexión. El análisis de las señales vibratorias en el dominio de la frecuencia para la identificación de dicho modos se realizará en el entorno de programación MATLAB, haciendo uso de una herramienta propia que implementa los métodos de cálculo y los algoritmos necesarios para tal fin. Asimismo, simularemos el comportamiento del resonador mediante el método de elementos finitos (FEM), utilizando las aplicaciones ANSYS y SYSNOISE, considerando diferentes condiciones frontera en el modelo generado. Los resultados aquí obtenidos serán de utilidad para complementar aquellos obtenidos de forma experimental a la hora de extraer conclusiones prácticas del análisis realizado. SUMMARY. This Master's Thesis intends to carry out the analysis of the vibratory behaviour of resonance absorbers, consisting of a thin and lightweight panel mounted at a distance from a rigid wall. Such systems are commonly used as sound absorption systems for mid-low frequency in room acoustics applications. The analysis will emphasize the influence of mechanical-acoustic coupling between the vibrating plate (structure) and the air cushion (acoustic element) enclosed behind it. First of all, we are performing the experimental modal analysis of the resonance absorber under test from the vibrational response measurements, in order to characterize its behaviour based on its first bending coupled-modes. The analysis of vibration signals in the frequency domain for the identification of such modes will be made in MATLAB programming environment, using a proprietary tool that implements the calculation methods and algorithms needed for this purpose. Furthermore, we are simulating the behaviour of the resonance absorber applying the Finite Element Method (FEM) – using ANSYS and SYSNOISE applications - considering different boundary conditions in the model created. The results from the simulation will be useful to complement those obtained experimentally when drawing practical conclusions from this analysis.

Reacondicionamiento sísmico de puentes

El reacondicionamiento de estructuras surge como reacción a la mejora de conocimientos, tanto en cuanto a la peligrosidad sísmica del emplazamiento, como a la vulnerabilidad de ciertas tipologías o detalles constructivos. En el caso particular de los puentes, la situación es debida a las continuas llamadas de atención que los grandes terremotos recientes están realizando respecto a estructuras tradicionalmente consideradas perfectas. El reacondicionamiento, desde un punto de vista social, es una respuesta activa frente a los daños previsibles, y una forma de minimizarlos con criterios ingenieriles. La actuación se articula alrededor de un Catálogo de estructuras, que se clasifican en forma que permite la toma de decisiones de acuerdo con los fondos disponibles. Tras un primer cribado que separa los puentes que, previsiblemente, no sufrirán problemas, se aplican métodos de cálculo capaces de prever los daños, y estimar las zonas en que aquellos pueden producirse, lo que permite contribuir a la ordenación precitada. Finalmente se establecen métodos que corrijan las deficiencias estructurales y ayuden a mejorar la respuesta.

Condicionantes de la adherencia y anclaje en el refuerzo de muros de fábrica con elementos de fibras

Es cada vez más frecuente la rehabilitación de patrimonio construido, tanto de obras deterioradas como para la adecuación de obras existentes a nuevos usos o solicitaciones. Se ha considerado el estudio del refuerzo de obras de fábrica ya que constituyen un importante número dentro del patrimonio tanto de edificación como de obra civil (sistemas de muros de carga o en estructuras principales porticadas de acero u hormigón empleándose las fábricas como cerramiento o distribución con elementos autoportantes). A la hora de reparar o reforzar una estructura es importante realizar un análisis de las deficiencias, caracterización mecánica del elemento y solicitaciones presentes o posibles; en el apartado 1.3 del presente trabajo se refieren acciones de rehabilitación cuando lo que se precisa no es refuerzo estructural, así como las técnicas tradicionales más habituales para refuerzo de fábricas que suelen clasificarse según se trate de refuerzos exteriores o interiores. En los últimos años se ha adoptado el sistema de refuerzo de FRP, tecnología con origen en los refuerzos de hormigón tanto de elementos a flexión como de soportes. Estos refuerzos pueden ser de láminas adheridas a la fábrica soporte (SM), o de barras incluidas en rozas lineales (NSM). La elección de un sistema u otro depende de la necesidad de refuerzo y tipo de solicitación predominante, del acceso para colocación y de la exigencia de impacto visual. Una de las mayores limitaciones de los sistemas de refuerzo por FRP es que no suele movilizarse la resistencia del material de refuerzo, produciéndose previamente fallo en la interfase con el soporte con el consecuente despegue o deslaminación; dichos fallos pueden tener un origen local y propagarse a partir de una discontinuidad, por lo que es preciso un tratamiento cuidadoso de la superficie soporte, o bien como consecuencia de una insuficiente longitud de anclaje para la transferencia de los esfuerzos en la interfase. Se considera imprescindible una caracterización mecánica del elemento a reforzar. Es por ello que el trabajo presenta en el capítulo 2 métodos de cálculo de la fábrica soporte de distintas normativas y también una formulación alternativa que tiene en cuenta la fábrica histórica ya que su caracterización suele ser más complicada por la heterogeneidad y falta de clasificación de sus materiales, especialmente de los morteros. Una vez conocidos los parámetros resistentes de la fábrica soporte es posible diseñar el refuerzo; hasta la fecha existe escasa normativa de refuerzos de FRP para muros de fábrica, consistente en un protocolo propuesto por la ACI 440 7R-10 que carece de mejoras por tipo de anclaje y aporta valores muy conservadores de la eficacia del refuerzo. Como se ha indicado, la problemática principal de los refuerzos de FRP en muros es el modo de fallo que impide un aprovechamiento óptimo de las propiedades del material. Recientemente se están realizando estudios con distintos métodos de anclaje para estos refuerzos, con lo que se incremente la capacidad última y se mantenga el soporte ligado al refuerzo tras la rotura. Junto con sistemas de anclajes por prolongación del refuerzo (tanto para láminas como para barras) se han ensayado anclajes con llaves de cortante, barras embebidas, o anclajes mecánicos de acero o incluso de FRP. Este texto resume, en el capítulo 4, algunas de las campañas experimentales llevadas a cabo entre los años 2000 y 2013 con distintos anclajes. Se observan los parámetros fundamentales para medir la eficacia del anclajes como son: el modo de fallo, el incremento de resistencia, y los desplazamientos que permite observar la ductilidad del refuerzo; estos datos se analizan en función de la variación de: tipo de refuerzo incluyéndose el tipo de fibra y sistema de colocación, y tipo de anclaje. Existen también parámetros de diseño de los propios anclajes. En el caso de barras embebidas se resumen en diámetro y material de la barra, acabado superficial, dimensiones y forma de la roza, tipo de adhesivo. En el caso de anclajes de FRP tipo pasador la caracterización incluye: tipo de fibra, sistema de fabricación del anclajes y diámetro del mismo, radio de expansión del abanico, espaciamiento longitudinal de anclajes, número de filas de anclajes, número de láminas del refuerzo, longitud adherida tras el anclaje; es compleja la sistematización de resultados de los autores de las campañas expuestas ya que algunos de estos parámetros varían impidiendo la comparación. El capítulo 5 presenta los ensayos empleados para estas campañas de anclajes, distinguiéndose entre ensayos de modo I, tipo tracción directa o arrancamiento, que servirían para sistemas NSM o para cuantificar la resistencia individual de anclajes tipo pasador; ensayos de modo II, tipo corte simple, que se asemeja más a las condiciones de trabajo de los refuerzos. El presente texto se realiza con objeto de abrir una posible investigación sobre los anclajes tipo pasador, considerándose que junto con los sistemas de barra embebida son los que permiten una mayor versatilidad de diseño para los refuerzos de FRP y siendo su eficacia aún difícil de aislar por el número de parámetros de diseño. Rehabilitation of built heritage is becoming increasingly frequent, including repair of damaged works and conditioning for a new use or higher loads. In this work it has been considered the study of masonry wall reinforcement, as most buildings and civil works have load bearing walls or at least infilled masonry walls in concrete and steel structures. Before repairing or reinforcing an structure, it is important to analyse its deficiencies, its mechanical properties and both existing and potential loads; chapter 1, section 4 includes the most common rehabilitation methods when structural reinforcement is not needed, as well as traditional reinforcement techniques (internal and external reinforcement) In the last years the FRP reinforcement system has been adopted for masonry walls. FRP materials for reinforcement were initially used for concrete pillars and beams. FRP reinforcement includes two main techniques: surface mounted laminates (SM) and near surface mounted bars (NSM); one of them may be more accurate according to the need for reinforcement and main load, accessibility for installation and aesthetic requirements. One of the main constraints of FRP systems is not reaching maximum load for material due to premature debonding failure, which can be caused by surface irregularities so surface preparation is necessary. But debonding (or delamination for SM techniques) can also be a consequence of insufficient anchorage length or stress concentration. In order to provide an accurate mechanical characterisation of walls, chapter 2 summarises the calculation methods included in guidelines as well as alternative formulations for old masonry walls as historic wall properties are more complicated to obtain due to heterogeneity and data gaps (specially for mortars). The next step is designing reinforcement system; to date there are scarce regulations for walls reinforcement with FRP: ACI 440 7R-10 includes a protocol without considering the potential benefits provided by anchorage devices and with conservative values for reinforcement efficiency. As noted above, the main problem of FRP masonry walls reinforcement is failure mode. Recently, some authors have performed studies with different anchorage systems, finding that these systems are able to delay or prevent debonding . Studies include the following anchorage systems: Overlap, embedded bars, shear keys, shear restraint and fiber anchors. Chapter 4 briefly describes several experimental works between years 2000 and 2013, concerning different anchorage systems. The main parameters that measure the anchorage efficiency are: failure mode, failure load increase, displacements (in order to evaluate the ductility of the system); all these data points strongly depend on: reinforcement system, FRP fibers, anchorage system, and also on the specific anchorage parameters. Specific anchorage parameters are a function of the anchorage system used. The embedded bar system have design variables which can be identified as: bar diameter and material, surface finish, groove dimensions, and adhesive. In FRP anchorages (spikes) a complete design characterisation should include: type of fiber, manufacturing process, diameter, fan orientation, anchor splay width, anchor longitudinal spacing and number or rows, number or FRP sheet plies, bonded length beyond anchorage devices,...the parameters considered differ from some authors to others, so the comparison of results is quite complicated. Chapter 5 includes the most common tests used in experimental investigations on bond-behaviour and anchorage characterisation: direct shear tests (with variations single-shear and double-shear), pullout tests and bending tests. Each of them may be used according to the data needed. The purpose of this text is to promote further investigation of anchor spikes, accepting that both FRP anchors and embedded bars are the most versatile anchorage systems of FRP reinforcement and considering that to date its efficiency cannot be evaluated as there are too many design uncertainties.

Introducción a la fiabilidad estructural y algunas aplicaciones

El libro comienza haciendo referencia a la seguridad en los sistemas estructurales, centrándose específicamente en las incertidumbres, la fiabilidad estructural y los métodos de comprobación de la seguridad. Posteriormente se tratan algunos métodos de nivel II utilizados para valorar la probabilidad de fallo; así, se hace referencia al índice de fiabilidad en general y, en particular al de Cornell y al de Hasofer y Lind; respecto a los métodos de cálculo del índice de fiabilidad, se estudia el método de los momentos de segundo orden y el método de las estimaciones puntuales. Del método de los momentos de segundo orden se analizan las funciones de fallo no lineales, esquema iterativo, las variables correlacionadas y la transformación de variables aleatorias. El capítulo destinado a las normas basadas en los conceptos de fiabilidad estructural analiza la relación entre los métodos de comprobación de la seguridad nivel I y nivel ll, la obtención de los coeficientes de ponderación mediante el método de los momentos de segundo orden y los formatos de cálculo en valores medios y valores característicos para terminar con la aplicación de a un caso práctico. Finalmente, se realiza un estudio de niveles de seguridad en túneles, para lo que se realiza una descripción física del problema, se plantea un modelo matemático de cálculo y se realiza un análisis de la seguridad así como la caracterización de variables.

Diseño basado en técnicas de fiabilidad del tratamiento de mejora del terreno mediante columnas de grava

El proyecto geotécnico de columnas de grava tiene todas las incertidumbres asociadas a un proyecto geotécnico y además hay que considerar las incertidumbres inherentes a la compleja interacción entre el terreno y la columna, la puesta en obra de los materiales y el producto final conseguido. Este hecho es común a otros tratamientos del terreno cuyo objetivo sea, en general, la mejora “profunda”. Como los métodos de fiabilidad (v.gr., FORM, SORM, Monte Carlo, Simulación Direccional) dan respuesta a la incertidumbre de forma mucho más consistente y racional que el coeficiente de seguridad tradicional, ha surgido un interés reciente en la aplicación de técnicas de fiabilidad a la ingeniería geotécnica. Si bien la aplicación concreta al proyecto de técnicas de mejora del terreno no es tan extensa. En esta Tesis se han aplicado las técnicas de fiabilidad a algunos aspectos del proyecto de columnas de grava (estimación de asientos, tiempos de consolidación y aumento de la capacidad portante) con el objetivo de efectuar un análisis racional del proceso de diseño, considerando los efectos que tienen la incertidumbre y la variabilidad en la seguridad del proyecto, es decir, en la probabilidad de fallo. Para alcanzar este objetivo se ha utilizado un método analítico avanzado debido a Castro y Sagaseta (2009), que mejora notablemente la predicción de las variables involucradas en el diseño del tratamiento y su evolución temporal (consolidación). Se ha estudiado el problema del asiento (valor y tiempo de consolidación) en el contexto de la incertidumbre, analizando dos modos de fallo: i) el primer modo representa la situación en la que es posible finalizar la consolidación primaria, parcial o totalmente, del terreno mejorado antes de la ejecución de la estructura final, bien sea por un precarga o porque la carga se pueda aplicar gradualmente sin afectar a la estructura o instalación; y ii) por otra parte, el segundo modo de fallo implica que el terreno mejorado se carga desde el instante inicial con la estructura definitiva o instalación y se comprueba que el asiento final (transcurrida la consolidación primaria) sea lo suficientemente pequeño para que pueda considerarse admisible. Para trabajar con valores realistas de los parámetros geotécnicos, los datos se han obtenido de un terreno real mejorado con columnas de grava, consiguiendo, de esta forma, un análisis de fiabilidad más riguroso. La conclusión más importante, obtenida del análisis de este caso particular, es la necesidad de precargar el terreno mejorado con columnas de grava para conseguir que el asiento ocurra de forma anticipada antes de la aplicación de la carga correspondiente a la estructura definitiva. De otra forma la probabilidad de fallo es muy alta, incluso cuando el margen de seguridad determinista pudiera ser suficiente. En lo que respecta a la capacidad portante de las columnas, existen un buen número de métodos de cálculo y de ensayos de carga (tanto de campo como de laboratorio) que dan predicciones dispares del valor de la capacidad última de las columnas de grava. En las mallas indefinidas de columnas, los resultados del análisis de fiabilidad han confirmado las consideraciones teóricas y experimentales existentes relativas a que no se produce fallo por estabilidad, obteniéndose una probabilidad de fallo prácticamente nula para este modo de fallo. Sin embargo, cuando se analiza, en el contexto de la incertidumbre, la capacidad portante de pequeños grupos de columnas bajo zapatas se ha obtenido, para un caso con unos parámetros geotécnicos típicos, que la probabilidad de fallo es bastante alta, por encima de los umbrales normalmente admitidos para Estados Límite Últimos. Por último, el trabajo de recopilación sobre los métodos de cálculo y de ensayos de carga sobre la columna aislada ha permitido generar una base de datos suficientemente amplia como para abordar una actualización bayesiana de los métodos de cálculo de la columna de grava aislada. El marco bayesiano de actualización ha resultado de utilidad en la mejora de las predicciones de la capacidad última de carga de la columna, permitiendo “actualizar” los parámetros del modelo de cálculo a medida que se dispongan de ensayos de carga adicionales para un proyecto específico. Constituye una herramienta valiosa para la toma de decisiones en condiciones de incertidumbre ya que permite comparar el coste de los ensayos adicionales con el coste de una posible rotura y , en consecuencia, decidir si es procedente efectuar dichos ensayos. The geotechnical design of stone columns has all the uncertainties associated with a geotechnical project and those inherent to the complex interaction between the soil and the column, the installation of the materials and the characteristics of the final (as built) column must be considered. This is common to other soil treatments aimed, in general, to “deep” soil improvement. Since reliability methods (eg, FORM, SORM, Monte Carlo, Directional Simulation) deals with uncertainty in a much more consistent and rational way than the traditional safety factor, recent interest has arisen in the application of reliability techniques to geotechnical engineering. But the specific application of these techniques to soil improvement projects is not as extensive. In this thesis reliability techniques have been applied to some aspects of stone columns design (estimated settlements, consolidation times and increased bearing capacity) to make a rational analysis of the design process, considering the effects of uncertainty and variability on the safety of the project, i.e., on the probability of failure. To achieve this goal an advanced analytical method due to Castro and Sagaseta (2009), that significantly improves the prediction of the variables involved in the design of treatment and its temporal evolution (consolidation), has been employed. This thesis studies the problem of stone column settlement (amount and speed) in the context of uncertainty, analyzing two failure modes: i) the first mode represents the situation in which it is possible to cause primary consolidation, partial or total, of the improved ground prior to implementation of the final structure, either by a pre-load or because the load can be applied gradually or programmed without affecting the structure or installation; and ii) on the other hand, the second mode implies that the improved ground is loaded from the initial instant with the final structure or installation, expecting that the final settlement (elapsed primary consolidation) is small enough to be allowable. To work with realistic values of geotechnical parameters, data were obtained from a real soil improved with stone columns, hence producing a more rigorous reliability analysis. The most important conclusion obtained from the analysis of this particular case is the need to preload the stone columns-improved soil to make the settlement to occur before the application of the load corresponding to the final structure. Otherwise the probability of failure is very high, even when the deterministic safety margin would be sufficient. With respect to the bearing capacity of the columns, there are numerous methods of calculation and load tests (both for the field and the laboratory) giving different predictions of the ultimate capacity of stone columns. For indefinite columns grids, the results of reliability analysis confirmed the existing theoretical and experimental considerations that no failure occurs due to the stability failure mode, therefore resulting in a negligible probability of failure. However, when analyzed in the context of uncertainty (for a case with typical geotechnical parameters), results show that the probability of failure due to the bearing capacity failure mode of a group of columns is quite high, above thresholds usually admitted for Ultimate Limit States. Finally, the review of calculation methods and load tests results for isolated columns, has generated a large enough database, that allowed a subsequent Bayesian updating of the methods for calculating the bearing capacity of isolated stone columns. The Bayesian updating framework has been useful to improve the predictions of the ultimate load capacity of the column, allowing to "update" the parameters of the calculation model as additional load tests become available for a specific project. Moreover, it is a valuable tool for decision making under uncertainty since it is possible to compare the cost of further testing to the cost of a possible failure and therefore to decide whether it is appropriate to perform such tests.

Problemas de interacción terreno-estructura II

En este capítulo se pretende estudiar el efecto combinado de las características elásticas y de inercia del terreno y la estructura sobre él construida. Desde el punto de vista de esta última, los efectos más llamativos son la alteración de los valores de las frecuencias aparentes, debido justamente a la participación del suelo en el fenómeno vibratorio, y del amortiguamiento general pues la radiación de energía y el amortiguamiento propio del suelo tienen unos valores importantes cuando se comparan con los propios de la estructura. Ambos fenómenos tienen lógicamente su reflejo en el valor de las amplitudes del movimiento, que serán distintas de las que se producirían en el caso de base rígida. El fenómeno era conocido desde antiguo por los constructores de cimientos de máquinas y su consideración en otras construcciones se ha producido cuando se ha ido a estructuras singulares como rascacielos, centrales nucleares, etc. En este sentido los primeros resultados llamativos fueron los presentados por AKINO,OTA y YAMAHARA (1969) donde se comunicaban los resultados obtenidos de la instrumentación de pequeños modelos muy rígidos de edificios de contención de reactores. Los registros obtenidos en ensayos forzados con vibradores, así como los resultados de pequeños terremotos reales indicaban diferencias apreciables del movimiento del suelo según la cota de observación, con lo que se planteó el problema de elegir cuál debería escogerse para analizar el modelo matemático de la realidad. Desde entonces han sido numerosísimos los trabajos de investigación del tema; trabajos que, al coincidir con el desarrollo de los nuevos métodos de cálculo, los han usado e impulsado a perfeccionarse. Paradójicamente el resultado final es la existencia de varias escuelas de pensamiento que, impulsadas por razones extracientíficas, han radicalizado sus diferencias. Con ello el establecimiento objetivo de un estado del arte actual es realmente dificil como lo prueba la tendencia fluctuante de la normativa yankee, al respecto.

Análisis estático de la Iglesia Parroquial de Nuestra Señora de la Oliva de Lebrija

España cuenta con un vasto catálogo de patrimonio edificado en obra de fábrica, tanto en el ámbito religioso como en el civil, que recorre un largo camino histórico desde épocas grecorromanas hasta principios del siglo XX. A lo largo de todos estos siglos, la introducción de nuevos materiales como el hormigón o el acero desplazaron el uso del ladrillo y de la piedra en estructuras a situaciones muy puntuales, lo que llevó durante mucho tiempo al olvido de las técnicas propias de estos materiales y a la ausencia de desarrollo de ensayos y estudios sobre ellos. De hecho, no se trata de una situación únicamente española, sino generalizada a nivel internacional. Todo esto, unido a la dificultad de caracterizar convenientemente los materiales componentes y la interfaz, a la gran variedad de patologías que pueden afectar a las fábricas y a la actuación de cargas de largo periodo de retorno, ha provocado que los arquitectos e ingenieros actuales carezcan de herramientas y de un marco normativo adecuados a la hora de aproximarse a este tipo de edificios. La consecuencia directa ha sido la profusión de ejemplos de intervenciones erróneas en los edificios históricos, tanto desde el punto de vista estructural como estético. Se hace, pues, perentorio desarrollar métodos de cálculo y de investigación que proporcionen las herramientas necesarias para ello y devuelvan el interés profesional y académico hacia la obra de fábrica entendida como material estructural. A raíz de lo expuesto anteriormente, el objeto de este trabajo es el de analizar el comportamiento estático de un edificio histórico desde varios puntos de vista: - La caracterización de los materiales. - El comportamiento de los elementos estructurales aislados. - El comportamiento del sistema estructural, tanto en su configuración actual como en su evolución a lo largo de las diversas reformas sufridas. - Las patologías observadas y la adecuación de los cálculos realizados a las mismas. La intención es la de establecer pautas de estudio y herramientas aplicables a otros edificios y situaciones, pero sin propósito de generalización. La metodología utilizada es la del Cálculo Límite o Rígido-plástico, de tipo I, basado en hallar la línea de acción de los empujes en el interior de la fábrica, y que será definido más adelante. Se ha escogido este método porque aúna la economía de medios y la necesidad de pocos datos, fundamentalmente geométricos, con el aporte de información muy valiosa sobre el nivel de cargas y el modo en que responde la estructura. Se renuncia desde el principio a realizar análisis de tipo II y tipo III, por considerar que resultan excesivamente laboriosos en comparación con la información que se busca. Además, de las propias líneas de empuje obtenidas se pueden inferir, que no determinar, tensiones y deformaciones en el edificio, especialmente a través del procedimiento de cálculo utilizado en la asignatura Conservación y Rehabilitación de Estructuras Históricas, de este máster, impartida por el profesor D. Javier León González, por el que se obtiene, no una trayectoria de empujes, sino todas las posibles a través de una serie de valores límites. Para este trabajo se ha elegido la Iglesia Parroquial de Nuestra Señora de la Oliva, de Lebrija, provincia de Sevilla, por varios motivos. De un lado, se trata de un edificio encuadrado en un momento histórico, el de la conquista castellana de los territorios de Al-Ándalus, en el que se construyen numerosos edificios religiosos y civiles con los que comparte muchas de sus características. Por otro lado, y dentro del mismo contexto, sus particularidades lo convierten en un ejemplo claramente diferenciado y catálogo de soluciones constructivas y estructurales. Por último, se trata de una construcción que ha ido evolucionando en el tiempo, aportando lenguajes y técnicas diferentes, pero que conviven en gran armonía, sin que haya perdido su unicidad en ningún momento (salvo por pequeños elementos en mi opinión disonantes) desde el núcleo original de tipo mudéjar alfonsí (s. XIII) hasta la construcción de su torre campanario en el s. XVIII, pasando por ampliaciones y modificaciones en los siglos XIV a XVII. El ámbito de este trabajo se limita al núcleo mudéjar original junto con la ampliación renacentista del salón principal. Se excluyen por tanto la sacristía y dependencias anexas, la torre campanario y los patios, por ser elementos independientes del resto del conjunto.

Estudio de la contribución de la inercia térmica al comportamiento térmico de edificios

Dada la actual situación de crisis económica, la rehabilitación del parque edificado existente resulta fundamental por la reducción de los costes energéticos asociados al uso de la edificación, la disminución de las necesidades energéticas de los hogares y la reconversión del sector de la construcción. Es por ello que resulta imprescindible avanzar en el desarrollo de intervenciones que mejoren el comportamiento de la arquitectura existente. El objetivo de este trabajo es el estudio de las aportaciones de la inercia térmica al comportamiento térmico de los edificios. Esta investigación parte de la idea de que cualquier disposición de materiales en la conformación constructiva conlleva una posible acumulación de calor y regulación en el tiempo de las fluctuaciones de temperatura y que por tanto estas variables no pueden quedarse fuera de campo de estudio. La metodología de la investigación que aquí se presenta, se puede dividir en dos partes fundamentales: Una primera en la que se analiza en condiciones de laboratorio la influencia que ejerce la aportación de inercia térmica a un espacio de volumen conocido, en función exclusivamente de la capacidad de acumulación de energía. Para este primer análisis, se construye una probeta en el laboratorio, a través de la cual se realizan una serie de ensayos, en el que en primer lugar se caracterizan los equipos y la probeta, y a continuación se llevan a cabo variaciones de la masa térmica útil de la misma. Se monitorizan las variables y se analizan los resultados obtenidos mediante gráficas comparativas en función de diferentes parámetros que se establecen al comienzo de cada uno de los ensayos. En un segundo paso en la investigación, se evalúa la influencia de la inercia situada en los elementos que componen la envolvente de un módulo experimental evaluado mediante simulación energética. Para ello, se comparan los flujos energéticos que atraviesan cerramientos definidos con diferentes valores de masa térmica, pero con valores constantes de transmitancia térmica estacionaria, y bajo idénticas condiciones de contorno. Los resultados obtenidos, muestran la influencia de la masa térmica útil en la fluctuación térmica y la capacidad de acumulación de energía en los paramentos. Además de esto se determina la influencia de la disposición de la masa térmica en la composición constructiva de los cerramientos. Por último a partir de las conclusiones obtenidas en esta investigación se realiza una revisión crítica de los métodos de cálculo de las actuales normativas europeas.

Análisis de elementos viga-columna en régimen no lineal con deformación por cortante

El hormigón estructural sigue siendo sin duda uno de los materiales más utilizados en construcción debido a su resistencia, rigidez y flexibilidad para diseñar estructuras. El cálculo de estructuras de hormigón, utilizando vigas y vigas-columna, es complejo debido a los fenómenos de acoplamiento entre esfuerzos y al comportamiento no lineal del material. Los modelos más empleados para su análisis son el de Bernoulli-Euler y el de Timoshenko, indicándose en la literatura la conveniencia de usar el segundo cuando la relación canto/luz no es pequeña o los elementos están fuertemente armados. El objetivo fundamental de esta tesis es el análisis de elementos viga y viga-columna en régimen no lineal con deformación por cortante, aplicando el concepto de Pieza Lineal Equivalente (PLE). Concepto éste que consiste básicamente en resolver el problema de una pieza en régimen no lineal, transformándolo en uno lineal equivalente, de modo que ambas piezas tengan la misma deformada y los mismos esfuerzos. Para ello, se hizo en primer lugar un estudio comparado de: las distintas propuestas que aplican la deformación por cortante, de los distintos modelos constitutivos y seccionales del hormigón estructural y de los métodos de cálculo no lineal aplicando el método de elementos finitos (MEF). Teniendo en cuenta que la resolución del problema no lineal se basa en la resolución de sucesivos problemas lineales empleando un proceso de homotopía, los problemas lineales de la viga y viga-columna de Timoshenko, se resuelven mediante MEF, utilizando soluciones nodalmente exactas (SNE) y acción repartida equivalente de cualquier orden. Se obtiene así, con muy pocos elementos finitos, una excelente aproximación de la solución, no sólo en los nodos sino en el interior de los elementos. Se introduce el concepto PLE para el análisis de una barra, de material no lineal, sometida a acciones axiales, y se extiende el mismo para el análisis no lineal de vigas y vigas-columna con deformación por cortante. Cabe señalar que para estos últimos, la solución de una pieza en régimen no lineal es igual a la de una en régimen lineal, cuyas rigideces son constantes a trozos, y donde además hay que añadir momentos y cargas puntuales ficticias en los nodos, así como, un momento distribuido ficticio en toda la pieza. Se han desarrollado dos métodos para el análisis: uno para problemas isostáticos y otro general, aplicable tanto a problemas isostáticos como hiperestáticos. El primero determina de entrada la PLE, realizándose a continuación el cálculo por MEF-SNE de dicha pieza, que ahora está en régimen lineal. El general utiliza una homotopía que transforma de manera iterativa, unas leyes constitutivas lineales en las leyes no lineales del material. Cuando se combina con el MEF, la pieza lineal equivalente y la solución del problema original quedan determinadas al final de todo el proceso. Si bien el método general es un procedimiento próximo al de Newton- Raphson, presenta sobre éste la ventaja de permitir visualizar las deformaciones de la pieza en régimen no lineal, de manera tanto cualitativa como cuantitativa, ya que es posible observar en cada paso del proceso la modificación de rigideces (a flexión y cortante) y asimismo la evolución de las acciones ficticias. Por otra parte, los resultados obtenidos comparados con los publicados en la literatura, indican que el concepto PLE ofrece una forma directa y eficiente para analizar con muy buena precisión los problemas asociados a vigas y vigas-columna en las que por su tipología los efectos del cortante no pueden ser despreciados. ABSTRACT The structural concrete clearly remains the most used material in construction due to its strength, rigidity and structural design flexibility. The calculation of concrete structures using beams and beam-column is complex as consequence of the coupling phenomena between stresses and of its nonlinear behaviour. The models most commonly used for analysis are the Bernoulli-Euler and Timoshenko. The second model is strongly recommended when the relationship thickness/span is not small or in case the elements are heavily reinforced. The main objective of this thesis is to analyse the beam and beam-column elements with shear deformation in nonlinear regime, applying the concept of Equivalent Linear Structural Element (ELSE). This concept is basically to solve the problem of a structural element in nonlinear regime, transforming it into an equivalent linear structural element, so that both elements have the same deformations and the same stresses. Firstly, a comparative study of the various proposals of applying shear deformation, of various constitutive and sectional models of structural concrete, and of the nonlinear calculation methods (using finite element methods) was carried out. Considering that the resolution of nonlinear problem is based on solving the successive linear problem, using homotopy process, the linear problem of Timoshenko beam and beam-columns is resolved by FEM, using the exact nodal solutions (ENS) and equivalent distributed load of any order. Thus, the accurate solution approximation can be obtained with very few finite elements for not only nodes, but also for inside of elements. The concept ELSE is introduced to analyse a bar of nonlinear material, subjected to axial forces. The same bar is then used for other nonlinear beam and beam-column analysis with shear deformation. It is noted that, for the last analyses, the solution of a structural element in nonlinear regime is equal to that of linear regime, in which the piecewise-stiffness is constant, the moments and fictitious point loads need to be added at nodes of each element, as well as the fictitious distributed moment on element. Two methods have been developed for analysis: one for isostatic problem and other more general, applicable for both isostatic and hiperstatic problem. The first method determines the ELSE, and then the calculation of this piece is performed by FEM-ENS that now is in linear regime. The general method uses the homotopy that transforms iteratively linear constitutive laws into nonlinear laws of material. When combined with FEM, the ELSE and the solution of the original problem are determined at the end of the whole process. The general method is well known as a procedure closed to Newton-Raphson procedure but presents an advantage that allows displaying deformations of the piece in nonlinear regime, in both qualitative and quantitative way. Since it is possible to observe the modification of stiffness (flexural and shear) in each step of process and also the evolution of the fictitious actions. Moreover, the results compared with those published in the literature indicate that the ELSE concept offers a direct and efficient way to analyze with very good accuracy the problems associated with beams and beams columns in which, by typology, the effects of shear cannot be neglected.

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.

Estudio dinámico de cimentaciones en obras portuarias

Los diques de abrigo verticales son estructuras monolíticas que sirven para reflejar el oleaje creando, de este modo, una zona abrigada en el lado tierra. Son estructuras de contención de gravedad, es decir, su peso es el elemento resistente fundamental. Las solicitaciones sobre estas estructuras son de tipo dinámico (oleaje) y consisten, fundamentalmente, en un empuje frontal y una subpresión en la base que varían en el tiempo. Habitualmente, las acciones sobre los diques de abrigo se establecen mediante fórmulas empíricas, que se describen en la presente tesis si bien, para obras de especial importancia, suelen medirse en modelos reducidos de laboratorio. Cuando el cimiento en que han de apoyarse estas estructuras no presenta una resistencia al corte suficiente, el apoyo se realiza en banquetas que redistribuyen la carga y que están formadas por materiales granulares. En la práctica habitual para conocer la estabilidad de estas estructuras frente a un temporal, tras establecer las acciones de cálculo (empuje frontal y subpresión) se efectúa un cálculo pseudoestático en el que se consideran condiciones drenadas o no drenadas del cimiento en función de su permeabilidad. Se conoce que en los suelos saturados, bajo cargas cíclicas, tiende a producirse una elevación de las presiones intersticiales y una reducción de tensiones efectivas así como una degradación del módulo de deformación tangencial en función del número de ciclos de carga, pudiéndose producir el fenómeno conocido como licuefacción (arenas) o movilidad cíclica (suelos más finos). El objeto de la tesis es explorar la posibilidad, con la tecnología actual, de analizar la estabilidad de los diques de abrigo verticales en cuyo cimiento existen suelos blandos, proponiendo un procedimiento para evaluar la estabilidad dinámica en este tipo de obras. Para ello se han revisado los procedimientos actualmente utilizados para definir las acciones de cálculo, los principales modelos de comportamiento dinámicos de suelos saturados disponibles y los procedimientos de cálculo. Una vez investigado el estado del arte sobre este tema, se propone un procedimiento de cálculo en el que, utilizando el programa comercial FLAC, se establecen las acciones cíclicas sobre un dique de abrigo vertical tipo con distintas condiciones de apoyo, aplicando, para el cimiento, un modelo de comportamiento tipo hiperbólico con generación de presiones intersticiales cuyos parámetros pueden obtenerse de ensayos de campo y laboratorio. Por último, una vez descrito el procedimiento, se aplica a un caso real en el que se produjo un fallo en la cimentación que desembocó en el hundimiento de parte de un dique vertical situado en el puerto de Barcelona, presentándose los resultados obtenidos del análisis efectuado y comparándolos con los obtenidos utilizando los métodos de cálculo habituales. Vertical breakwaters are monolithic structures built to reflect sea waves, thereby providing a sheltered area on the land side. They are gravity retaining structures, that is, their own weight is their basic resisting mechanism. Loads acting on these structures are dynamic (waves) and consist essentially in a frontal thrust and an uplift pressure on the base, which both vary over time. Usually, actions in breakwater design are established by empirical formulas, which are described in this thesis. For works of particular importance, such forces are measured in small-scale laboratory tests. When there are no soils with enough shear strength under the planned vertical breakwaters, they usually rest on granular berms which redistribute the load. Nowadays, after establishing the acting forces on the breakwater (front push and uplift pressure), a pseudostatic calculation (with drained or undrained conditions depending on the foundation permeability) is normally done to analyze the stability of these structures against storm waves. It is known that pore pressures tend to rise in saturated soils under cyclic loading and, consequently, there is a reduction of effective stress. A degradation of the shear modulus also occurs depending on the number of load cycles. All of these effects can bring about the phenomenon known as liquefaction in sands or cyclic mobility in fine-grained soils. The aim of the thesis is to explore the possibility that current technology provides to analyze the stability of vertical breakwaters founded on soft soils, and to suggest a method to evaluate the dynamic stability in this type of works. To this end, a review has been made of procedures currently used to define the actions in calculations, the main models of dynamic behaviour of saturated soils available and of calculation procedures. Once the state of the art on this subject has been reviewed, a method of calculation is proposed that uses the commercial program FLAC and is applied to a typical vertical breakwater on a range of different foundation conditions. For the foundation soil, a hyperbolic constitutive model with pore pressure generation has been employed, whose parameters can be obtained from field and laboratory tests. Finally, the described procedure is applied to an actual case where a foundation failure occurred that led to the sinking of several caissons in a vertical breakwater located in the port of Barcelona. The results obtained with the proposed method are compared with those obtained using conventional methods.

Pulsatile blood flow interaction with arterial walls of aorta : autoregulation and impedance pressure boundary condition and its biomedical applications

Para las decisiones urgentes sobre intervenciones quirúrgicas en el sistema cardiovascular se necesitan simulaciones computacionales con resultados fiables y que consuman un tiempo de cálculo razonable. Durante años los investigadores han trabajado en diversos métodos numéricos de cálculo que resulten atractivos para los cirujanos. Estos métodos, precisos pero costosos desde el punto de vista del coste computacional, crean un desajuste entre la oferta de los ingenieros que realizan las simulaciones y los médicos que operan en el quirófano. Por otra parte, los métodos de cálculo más simplificados reducen el tiempo de cálculo pero pueden proporcionar resultados no realistas. El objetivo de esta tesis es combinar los conceptos de autorregulación e impedancia del sistema circulatorio, la interacción flujo sanguíneo-pared arterial y modelos geométricos idealizados tridimensionales de las arterias pero sin pérdida de realismo, con objeto de proponer una metodología de simulación que proporcione resultados correctos y completos, con tiempos de cálculo moderados. En las simulaciones numéricas, las condiciones de contorno basadas en historias de presión presentan inconvenientes por ser difícil conocerlas con detalle, y porque los resultados son muy sensibles ante pequeñas variaciones de dichas historias. La metodología propuesta se basa en los conceptos de autorregulación, para imponer la demanda de flujo aguas abajo del modelo en el ciclo cardiaco, y la impedancia, para representar el efecto que ejerce el flujo en el resto del sistema circulatorio sobre las arterias modeladas. De este modo las historias de presión en el contorno son resultados del cálculo, que se obtienen de manera iterativa. El método propuesto se aplica en una geometría idealizada del arco aórtico sin patologías y en otra geometría correspondiente a una disección Stanford de tipo A, considerando la interacción del flujo pulsátil con las paredes arteriales. El efecto de los tejidos circundantes también se incorpora en los modelos. También se hacen aplicaciones considerando la interacción en una geometría especifica de un paciente anciano que proviene de una tomografía computarizada. Finalmente se analiza una disección Stanford tipo B con tres modelos que incluyen la fenestración del saco. Clinicians demand fast and reliable numerical results of cardiovascular biomechanic simulations for their urgent pre-surgery decissions. Researchers during many years have work on different numerical methods in order to attract the clinicians' confidence to their colorful contours. Though precise but expensive and time-consuming methodologies create a gap between numerical biomechanics and hospital personnel. On the other hand, simulation simplifications with the aim of reduction in computational time may cause in production of unrealistic outcomes. The main objective of the current investigation is to combine ideas such as autoregulation, impedance, fluid-solid interaction and idealized geometries in order to propose a computationally cheap methodology without excessive or unrealistic simplifications. The pressure boundary conditions are critical and polemic in numerical simulations of cardiovascular system, in which a specific arterial site is of interest and the rest of the netwrok is neglected but represented by a boundary condition. The proposed methodology is a pressure boundary condition which takes advantage of numerical simplicity of application of an imposed pressure boundary condition on outlets, while it includes more sophisticated concepts such as autoregulation and impedance to gain more realistic results. Incorporation of autoregulation and impedance converts the pressure boundary conditions to an active and dynamic boundary conditions, receiving feedback from the results during the numerical calculations and comparing them with the physiological requirements. On the other hand, the impedance boundary condition defines the shapes of the pressure history curves applied at outlets. The applications of the proposed method are seen on idealized geometry of the healthy arotic arch as well as idealized Stanford type A dissection, considering the interaction of the arterial walls with the pulsatile blood flow. The effect of surrounding tissues is incorporated and studied in the models. The simulations continue with FSI analysis of a patient-specific CT scanned geometry of an old individual. Finally, inspiring of the statistic results of mortality rates in Stanford type B dissection, three models of fenestrated dissection sac is studied and discussed. Applying the developed boundary condition, an alternative hypothesis is proposed by the author with respect to the decrease in mortality rates in patients with fenestrations.

Caracterización geométrica y lumínica de los atrios incorporados en los edificios de Santiago de Chile

El atrio incorporado en los edificios ha sido un recurso espacial que tempranamente se difundió a nivel global, siendo adoptado por las distintas arquitecturas locales en gran parte del mundo. Su masificación estuvo favorecida primero por la rápida evolución de la tecnología del acero y el vidrio, a partir del siglo XIX, y en segundo termino por el posterior desarrollo del hormigón armado. Otro aspecto que explica tal aceptación en la arquitectura contemporánea, es de orden social y radica en la llamativa cavidad del espacio describiendo grandes dimensiones y favoreciendo con ello, el desarrollo de una multiplicidad de usos en su interior que antes eran impensados. Al interior del atrio, la luz natural es clave en las múltiples vivencias que alberga y sea tal vez la condición ambiental más valorada, ya que entrega una sensación de bienestar al conectarnos visualmente con el ambiente natural. Por esta razón de acuerdo al método hipotético deductivo, se evaluaron los efectos de la configuración geométrica, la cubierta y la orientación en el desempeño de la iluminación natural en la planta baja, a partir un modelo extraído desde el inventario de los edificios atrio construidos en Santiago de Chile, en los últimos 30 años que fue desarrollado en el capitulo 2. El análisis cuantitativo de los edificios inventariados se elaboró en el capítulo 3, considerando las dimensiones de los atrios. Simultáneamente fueron clasificados los aspectos constructivos, los materiales y las características del ambiente interior de cada edificio. En esta etapa además, fueron identificadas las variables de estudio de las proporciones geométricas de la cavidad del atrio con los coeficientes de aspecto de las proporciones, en planta (PAR), en corte (SAR) y de la cavidad según (WI), (AR) y (RI). Del análisis de todos estos parámetros se extrajo el modelo de prueba. El enfoque del estudio del capítulo 4 fue la iluminación natural, se revisaron los conceptos y el comportamiento en el atrio, a partir de un modelo físico construido a escala para registro de la iluminancia bajo cielo soleado de la ciudad. Más adelante se construyó el modelo en ambiente virtual, relacionando las variables determinadas por la geometría de la cavidad y el cerramiento superior; examinándose de esta manera distintas transparencias, proporciones de apertura, en definitiva se evaluó un progresivo cerramiento de las aberturas, verificando el ingreso de la luz y disponibilidad a nivel de piso con la finalidad, de proveer lineamientos útiles en una primera etapa del diseño arquitectónico. Para el análisis de la iluminación natural se revisaron diferentes métodos de cálculo con el propósito de evaluar los niveles de iluminancia en un plano horizontal al interior del atrio. El primero de ellos fue el Factor de Luz Día (FLD) que corresponde, a la proporción de la iluminancia en un punto de evaluación interior respecto, la cantidad proveniente del exterior bajo cielo nublado, a partir de la cual se obtuvo resultados que revelaron la alta luminosidad del cielo nublado de la ciudad. Además fueron evaluadas las recientes métricas dinámicas que dan cuenta, de la cantidad de horas en las cuales de acuerdo a los extensos registros meteorológico de la ciudad, permitieron obtener el porcentajes de horas dentro de las cuales se cumplió el estándar de iluminancia requerido, llamado autonomía lumínica (DA) o mejor aún se permanece dentro de un rango de comodidad visual en el interior del atrio referido a la iluminancia diurna útil (UDI). En el Capítulo 5 se exponen los criterios aplicados al modelo de estudio y cada una de las variantes de análisis, además se profundizó en los antecedentes y procedencia de las fuentes de los registros climáticos utilizados en las simulaciones llevadas a cabo en el programa Daysim operado por Radiance. Que permitieron evaluar el desempeño lumínico y la precisión, de cada uno de los resultados para comprobar la disponibilidad de iluminación natural a través de una matriz. En una etapa posterior se discutieron los resultados, mediante la comparación de los datos logrados según cada una de las metodologías de simulación aplicada. Finalmente se expusieron las conclusiones y futuras lineas de trabajo, las primeras respecto el dominio del atrio de cuatro caras, la incidencia del control de cerramiento de la cubierta y la relación establecida con la altura; indicando en lo específico que las mediciones de iluminancia bajo el cielo soleado de verano, permitieron aclarar, el uso de la herramienta de simulación y método basado en el clima local, que debido a su reciente desarrollo, orienta a futuras líneas de trabajo profundizando en la evaluación dinámica de la iluminancia contrastado con monitorización de casos. ABSTRACT Atriums incorporated into buildings have been a spatial resource that quickly spread throughout the globe, being adopted by several local architecture methods in several places. Their widespread increase was highly favored, in the first place, with the rapid evolution of steel and glass technologies since the nineteen century, and, in second place, by the following development of reinforced concrete. Another issue that explains this success into contemporary architecture is associated with the social approach, and it resides in the impressive cavity that describes vast dimensions, allowing the development of multiple uses in its interior that had never been considered before. Inside the atrium, daylight it is a key element in the many experiences that involves and it is possibly the most relevant environmental factor, since it radiates a feeling of well-being by uniting us visually with the natural environment. It is because of this reason that, following the hypothetical deductive method, the effects in the performance of daylight on the floor plan were evaluated considering the geometric configuration, the deck and orientation factors. This study was based in a model withdrawn from the inventory of atrium buildings that were constructed in Santiago de Chile during the past thirty years, which will be explained later in chapter 2. The quantitative analysis of the inventory of those buildings was elaborated in chapter 3, considering the dimensions of the atriums. Simultaneously, several features such as construction aspects, materials and environmental qualities were identified inside of each building. At this stage, it were identified the variables of the geometric proportions of the atrium’s cavity with the plan aspect ratio of proportions in first plan (PAR), in section (SAR) and cavity according to well index (WI), aspect ratio (AR) and room index (RI). An experimental model was obtained from the analysis of all the mentioned parameters. The main focus of the study developed in chapter 4 is daylight. The atrium’s concept and behavior were analyzed from a physical model built under scale to register the illuminances under clear, sunny sky of the city. Later on, this physical model was built in a virtual environment, connecting the variables determined by the geometry of the cavity and the superior enclosure, allowing the examination of transparencies and opening proportions. To summarize, this stage consisted on evaluating a progressive enclosure of the openings, checking the access of natural light and its availability at the atrium floor, in an effort to provide useful guidelines during the first stage of the architectural design. For the analysis of natural lighting, several calculations methods were used in order to determine the levels of illuminances in a horizontal plane inside of the atrium. The first of these methods is the Daylight Factor (DF), which consists in the proportion of light in an evaluation interior place with the amount of light coming from the outside in a cloudy day. Results determined that the cloudy sky of the city has high levels of luminosity. In addition, the recent dynamic metrics were evaluated which reflects the hours quantity. According to the meteorological records of the city’s climate, the standard of illuminance- a standard measure called Daylight Autonomy (DA) – was met. This is even better when the results stay in the line of visual convenience within the atrium, which is referred to as Useful Daylight Illuminance (UDI). In chapter 5, it was presented the criteria applied to the study model and on each of the variants of the analysis. Moreover, the information of the climate records used for the simulations - carried out in the Daysim program managed by Radiance – are detailed. These simulations allowed the observation of the daylight performance and the accuracy of each of the results to confirm the availability of natural light through a matrix. In a later stage, the results were discussed comparing the collected data in each of the methods of simulation used. Finally, conclusions and further discussion are presented. Overall, the four side atrium’s domain and the effect of the control of the cover’s enclosure. Specifically, the measurements of the daylight under summer’s clear, sunny sky allowing clarifying the use of the simulation tool and the method based on the local climate. This method allows defining new and future lines of work deepening on the dynamic of the light in contrast with the monitoring of the cases.

Análise teórica-experimental de perfis de aço formados a frio devido à instabilidade por distorção na flexão

Apresenta-se neste trabalho um estudo teórico-experimental sobre a instabilidade de perfis formados a frio submetidos à flexão. A instabilidade distorcional se faz comum na presença de tensões de compressão atuando sobre perfis enrijecidos e fabricados com aços de elevada resistência mecânica. A parte teórica abrange os métodos de cálculo analíticos e numéricos para a análise de instabilidade distorcional de perfis de seção aberta formados a frio. Na parte experimental inclui-se o estudo de perfis formados a frio com seções do tipo U enrijecidos submetidos aos ensaios à flexão. Nestes ensaios variou-se a altura de alma e espessura de chapa procurando-se abranger maior número de condições geométricas para análise da estabilidade distorcional. Inclui-se também a análise de instabilidade numérica dos perfis do programa experimental através do método de resistência direta via método das faixas finitas. Com base nos resultados experimentais, numéricos e na análise teórica do problema, verificou-se o procedimento adotado pela NBR14762/2001 e efetuou-se comparação entre curvas de resistência propostas para o dimensionamento de perfis formados a frio à flexão. Foi verificado que o fenômeno de instabilidade distorcional pode ser o estado limite último crítico para o dimensionamento dos perfis formados a frio.