Importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos en placas de acero a altas temperaturas

En el presente trabajo se presenta un estudio experimental y numérico de impactos balísticos sobre placas de acero inoxidable martensítico a altas temperaturas (400ºC y 700ºC), que pone de manifiesto la importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos a altas temperaturas. Mediante un estudio metalográfico de la zona de impacto, se ha observado la aparición de bandas adiabáticas de cortante formadas por el aumento brusco de la temperatura debido a la acumulación del trabajo plástico en el interior del material. La correcta predicción en la formación de estas bandas durante el proceso de penetración es crítica a la hora de obtener resultados representativos de los experimentos realizados. Basándose en datos experimentales de ensayos previamente realizados, se ha calibrado un modelo de material de Johnson-Cook (JC) para su uso con simulaciones numéricas en el código no lineal de elementos finitos LSDYNA. Mediante estas simulaciones numéricas se demuestra la importancia del ablandamiento térmico en el proceso de perforación de placas, al igual que la incapacidad que un modelo tipo JC tiene para representar el dicho ablandamiento para material estudiado. Esta investigación presenta, finalmente, una modificación a un modelo tipo JC programado como subrutina de material de usuario para LS-DYNA que permite simular correctamente estos procesos de impacto a alta temperatura.

Respuesta sísmica de un edificio de estructuras metálica con aisladores : alternativas de diseño

El presente trabajo es un estudio teórico – experimental para la implementación de un edificio metálico de cuatro plantas con dispositivos disipadores de energía. Este estudio presenta una técnica para la generación de un registro sísmico artificial, que sea compatible con los espectros de diseño de las normas chilena y española. Este acelerograma se crea con una herramienta computacional denominada SIMQKE. La simulación de la estructura sometida al terremoto artificial se realizará en el programa de elementos finitos SAP200. El trabajo se encuentra dividido en cuatro capítulos, cuyos contenidos son los siguientes. En el capitulo uno, o estado del arte, se revisan las diferentes técnicas de aislamiento sísmico, se describe el dispositivo a utilizar, sus bases teóricas y formulación matemática, se revisan las normas NCh.2745 Of.2003 [12], NCSE-02 [18] y se presenta la técnica para la generación de un registro sintético compatible. El capítulo dos aborda el análisis experimental para un edificio real: una edificación de estructura metálica implementada con disipadores de energía metálicos y que será sometida a tres terremotos de diferente magnitud. El capítulo tres expone los resultados de los desplazamientos medidos para la estructura sin disipadores y con ellos, se presentan los porcentajes de disminución de desplazamientos relativos por planta y por tipo de estructura. Por último, el capítulo cuatro presenta las principales conclusiones y una breve discusión de los resultados. The present work is a theoretical and experimental study for the implementation of a fourstorey building with energy dissipating devices. This study presents a technique for generation an artificial seismic record, which is compatible with the design spectra Chilean and Spanish standards. This accelerogram is created with a computational tool called SIMQKE. The simulation of the structure subjected to artificial earthquake will take place in the finite element program SAP2000. This work is divided into four chapters whose contents are as follows. In chapter one, or state of the art, reviews the different seismic isolation techniques, describes the device used, theoretical and mathematical formulation, NCh2745 Of.2003 [12] and NCSE-02 [18] standards are checked, and presents the technique for generating a synthetic record compatible. Chapter two explains the experimental analysis to a real building: a building of steel structure implemented with metallic energy dissipators and will be submitted to three different earthquakes of magnitude. Chapter three presents the results of measured displacements for the structure without dissipators and with them, the percentages of decline relative displacements per plant and type of structure. Finally, chapter four presents the main conclusions and a brief discussion of the results.

Ensayos acelerados de fiabilidad de células solares de concentración

SUMMARY Concentration Photovoltaic Systems (CPV) have been proposed as an alternative to conventional systems. During the last years, there has been a boom of the CPV industry caused by the technological progress in all the elements of the system. and mainly caused by the use of multijunction solar cells based on III-V semiconductors, with efficiencies exceeding to 43%. III-V solar cells have been used with high reliability results in a great number of space missions without concentration. However, there are no previous results regarding their reliability in concentration terrestrial applications, where the working conditions are completely different. This lack of experience, together with the important industrial interest, has generated the need to evaluate the reliability of the cells. For this reason, nowadays there are several research centers around the undertaking this task. The evaluation of the reliability of this type of devices by means of accelerated tests is especially problematic when they work at medium or high concentration, because it is practically impossible to emulate real working conditions of the cell inside climatic chambers. In fact, as far as we know, the results that appear in this Thesis are the first estimating the Activation Energy of the failure mechanism involved, as well as the warranty of the III-V concentrator solar cells tested here. To evaluate the reliability of III-V very high concentrator solar cells by means of accelerated tests, a variety of activities, described in this Thesis have been carried out. The First Part of the memory presents the theoretical part of the Doctoral Thesis. After the Introduction, chapter 2 presents the state of the art in degradation and reliability of CPV systems and solar cells. Chapter 3 introduces some reliability definitions and the application of specific statistical functions to the evaluation of the reliability and parameters. From these functions, important parameters will be calculated to be used later in the experimental results of Thesis. The Second Part of the memory contains the experimental. Chapter 4 shows the types of accelerated tests and the main goals pursuit with them when carried out over CPV systems and solar cells. In order to evaluate quantitatively the reliability of the III-V concentrator solar cells used in these tests, some modifications have been introduced which discussion will be tackled here. Based on this analysis the working plan of the tests carried out in this Doctoral Thesis is presented. Chapter 5 presents a new methodology as well as the necessary instrumentation to carry out the tests described here. This new methodology takes into account the adaptation, improvement and novel techniques needed to test concentrator solar cells. The core of this memory is chapter 6, which presents the results of the characterization of the cells during the accelerated life tests and the analysis of the aforementioned results with the purpose of getting quantitative values of reliability in real working conditions. The acceleration factor of the accelerated life tests, under nominal working conditions has been calculated. Accordingly, the validity of the methodology as well as the calculations based on the reliability assessment, have also been demonstrated. Finally, quantitative values of degradation, reliability and warranty of the solar cells under field nominal working conditions have been calculated. With the development of this Doctoral Thesis the reliability of very high concentrator GaAs solar cells of small area has been evaluated. It is very interesting to generalize the procedures described up to this point to III-V multijunction solar cells of greater area. Therefore, chapter 7 develops this generalization and introduces also a useful thermal modeling by means of finite elements of the test cells’ circuits. In the last chapter, the summary of the results and the main contributions of this Thesis are outlined and future research activities are identified. RESUMEN Los Sistemas Fotovoltaicos de Concentración (SFC) han sido propuestos como una alternativa a los sistemas convencionales de generación de energía. Durante los últimos años ha habido un auge de los SFC debido a las mejoras tecnológicas en todos los elementos del sistema, y principalmente por el uso de células multiunión III-V que superan el 43% de rendimiento. Las células solares III-V han sido utilizadas con elevada fiabilidad en aplicaciones espaciales sin concentración, pero no existe experiencia de su fiabilidad en ambiente terrestre a altos niveles de concentración solar. Esta falta de experiencia junto al gran interés industrial ha generado la necesidad de evaluar la fiabilidad de las células, y actualmente hay un significativo número de centros de investigación trabajando en esta área. La evaluación de la fiabilidad de este tipo de dispositivos mediante ensayos acelerados es especialmente problemática cuando trabajan a media o alta concentración por la casi imposibilidad de emular las condiciones de trabajo reales de la célula dentro de cámaras climáticas. De hecho, que sepamos, en los resultados de esta Tesis se evalúa por primera vez la Energía de Activación del mecanismo de fallo de las células, así como la garantía en campo de las células de concentración III-V analizadas. Para evaluar la fiabilidad de células solares III-V de muy alta concentración mediante ensayos de vida acelerada se han realizado diversas actividades que han sido descritas en la memoria de la Tesis. En la Primera Parte de la memoria se presenta la parte teórica de la Tesis Doctoral. Tras la Introducción, en el capítulo 2 se muestra el estado del arte en degradación y fiabilidad de células y Sistemas Fotovoltaicos de Concentración. En el capítulo 3 se exponen de forma resumida las definiciones de fiabilidad y funciones estadísticas que se utilizan para la evaluación de la fiabilidad y sus parámetros, las cuales se emplearán posteriormente en los ensayos descritos en este Tesis. La Segunda Parte de la memoria es experimental. En el capítulo 4 se describen los tipos y objetivos de los ensayos acelerados actualmente aplicados a SFC y a las células, así como las modificaciones necesarias que permitan evaluar cuantitativamente la fiabilidad de las células solares de concentración III-V. En base a este análisis se presenta la planificación de los trabajos realizados en esta Tesis Doctoral. A partir de esta planificación y debido a la necesidad de adaptar, mejorar e innovar las técnicas de ensayos de vida acelerada para una adecuada aplicación a este tipo de dispositivos, en el capítulo 5 se muestra la metodología empleada y la instrumentación necesaria para realizar los ensayos de esta Tesis Doctoral. El núcleo de la memoria es el capítulo 6, en él se presentan los resultados de caracterización de las células durante los ensayos de vida acelerada y el análisis de dichos resultados con el objetivo de obtener valores cuantitativos de fiabilidad en condiciones reales de trabajo. Se calcula el Factor de Aceleración de los ensayos acelerados con respecto a las condiciones nominales de funcionamiento a partir de la Energía de Activación obtenida, y se demuestra la validez de la metodología y cálculos empleados, que son la base de la evaluación de la fiabilidad. Finalmente se calculan valores cuantitativos de degradación, fiabilidad y garantía de las células en condiciones nominales en campo durante toda la vida de la célula. Con el desarrollo de esta Tesis Doctoral se ha evaluado la fiabilidad de células III-V de área pequeña, pero es muy interesante generalizar los procedimientos aquí desarrollados para las células III-V comerciales de área grande. Por este motivo, en el capítulo 7 se analiza dicha generalización, incluyendo el modelado térmico mediante elementos finitos de los circuitos de ensayo de las células. En el último capítulo se realiza un resume del trabajo y las aportaciones realizadas, y se identifican las líneas de trabajo a emprender en el futuro.

Determinación de las tensiones en cabezas de anclaje

El problema de la concentración de tensiones en las proximidades de las cabezas de anclaje ha sido tratado utilizando diversos procedimientos basados en la teoría de la elasticidad, tanto en el caso de anclajes en bloques extremos de vigas pretensadas, como en anclajes pasivos incluidos dentro del material, ya sea este hormigón o suelo en el caso de tablestacas. Los procedimientos más utilizados envuelven un elevado grado de aproximación ante la necesidad de reducir un problema de esta complejidad a los niveles normales en la ingeniería. El presente trabajo analiza el problema bajo dos ópticas diferentes: Primero, un estudio analítico de las tensiones en las proximidades de un anclaje sumergido dentro de un medio cuyos contornos libres se encuentran alejados de él; en segundo lugar se estudia el problema utilizando un método numérico, el Método de los Elementos de Contorno, que hace posible la obtención de la solución no sólo en tensiones sino en desplazamientos y permite tener en cuenta el espesor real de la placa de anclaje, la existencia de bordes libres próximos a un anclaje incluida en el material o el caso de anclajes en los bloques extremos de vigas. El método de los elementos de contorno está siendo objeto de atención en los últimos años por parte de investigadores de muchos países y sus características lo hacen muy indicado frente al método de los Elementos Finitos para problemas como este donde existen zonas de concentración de tensiones o grandes zonas que modelar.

Rigidez dinámica de estribos y puentes

Los datos obtenidos de puentes instrumentados en zonas sísmicas, demuestran la importancia que tienen los estribos en la respuesta dinámica de la estructura. Si bien existen modelos que permiten estudiar la incidencia de las cimentaciones de las pilas, no existe ningún modelo analítico un numérico que permita acotar la incidencia d e los estribos. En este trabajo se presentan modelos de Elementos de Contorno en el dominio de la frecuencia, tanto en dos como en tres dimensiones, así como el cálculo de las rigideces dinámicas delos estribos, en forma adimensional, para las tipologías más habituales. Finalmente, en un modelo analítico sencillo de un tablero de puente en el que se incorporan los efectos de interacción inercial en la cimentación de pilas y estribos, se analizan las variables de la respuesta dinámica modificada.

Modelado de láminas ortotrópicas axisimétricas para excitaciones con alto contenido en frecuencia

El propósito de este artículo es el análisis lineal de estructuras laminares sometidas a excitaciones dinámicas con alto contenido en frecuencia. El método numérico propuesto utiliza para el modelado elementos continuos monodimensionales. La respuesta exacta de este tipo de elementos es conocida, y por lo tanto el método es más conveniente para este tipo de problemas que otros métodos convencionales basados en discretización espacial, por ejemplo el método de los elementos finitos (MEF), que precisarían de una malla muy fina para recoger adecuadamente los fenómenos de interés. El estudio aquí descrito se limita a estructuras axisimétricas con formas cilíndricas o cónicas. Se presentan criterios para modelar dichas estructuras mediante vigas sobre apoyo elástico.

Estimación del error de discretización con principios variacionales multicampo: I - Elasticidad

Desarrollos recientes para encajar dentro de un marco variacional la llamada Formulación Libre sugieren la posibilidad de introducir un nuevo tipo de estimador de error para cálculos por elementos finitos. Este estimador se basa en una diferencia entre ciertos funcionales multicampo, que toman el mismo valor para la solución exacta del problema. En el presente articulo, dividido en dos partes, se introduce la formulación del estimador para problemas de elasticidad y de flexión de placas según las hipótesis clásicas de Kirchhoff. Se presentan también algunos ejeinplos para dar idea de los comportamientos numéricos observados.

Un marco matemático para la consolidación elastoplástica con deformaciones finitas

Se presenta una formulación matemática para los fenómenos acoplados de deformación del suelo y difusión, la llamada consolidación, que incluye los efectos de respuesta elastoplástica del suelo y deformaciones finitas. Se obtienen las ecuaciones variacionales del problema de contorno tanto en sus casos no lineal como linealizado de forma que puedan incorporarse directamente a programas de elementos finitos. El tratamiento algorítmico de la elastoplasticidad con deformaciones finitas para la fase sólida está basado en una descomposición multiplicativa y se acopla con el algoritmo de flujo del fluido a través de la presión neutra de Kirchhoff. Las ecuaciones de la cantidad de movimiento y conservación de la masa se escriben tanto para la fase sólida como para la fluida siguiendo el movimiento de la matriz sólida, combinándolas a continuación mediante la teoría general de mezclas. Puesto que la masa del fluido no tiene que conservarse en la región definida por la matriz sólida, se permite también que la densidad saturada de la mezcla suelo-agua varíe con la deformación del suelo a través del Jacobiano.

El método de las ecuaciones integrales singulares (B.I.E.M.)

El Método de Ecuaciones Integrales Singulares es una alternativa a los métodos dominantes, como el conocido Método de los Elementos Finitos. La idea esencial es la combinación de las clásicas relaciones recíprocas con la filosofía de la discretización del Método de los Elementos Finitos.

Modelling of chloride transport in non-saturated concrete : from microscale to macroscale

Corrosion of steel bars embedded in concrete has a great influence on structural performance and durability of reinforced concrete. Chloride penetration is considered to be a primary cause of concrete deterioration in a vast majority of structures. Therefore, modelling of chloride penetration into concrete has become an area of great interest. The present work focuses on modelling of chloride transport in concrete. The differential macroscopic equations which govern the problem were derived from the equations at the microscopic scale by comparing the porous network with a single equivalent pore whose properties are the same as the average properties of the real porous network. The resulting transport model, which accounts for diffusion, migration, advection, chloride binding and chloride precipitation, consists of three coupled differential equations. The first equation models the transport of chloride ions, while the other two model the flow of the pore water and the heat transfer. In order to calibrate the model, the material parameters to determine experimentally were identified. The differential equations were solved by means of the finite element method. The classical Galerkin method was employed for the pore solution flow and the heat transfer equations, while the streamline upwind Petrov Galerkin method was adopted for the transport equation in order to avoid spatial instabilities for advection dominated problems. The finite element codes are implemented in Matlab® . To retrieve a good understanding of the influence of each variable and parameter, a detailed sensitivity analysis of the model was carried out. In order to determine the diffusive and hygroscopic properties of the studied concretes, as well as their chloride binding capacity, an experimental analysis was performed. The model was successfully compared with experimental data obtained from an offshore oil platform located in Brazil. Moreover, apart from the main objectives, numerous results were obtained throughout this work. For instance, several diffusion coefficients and the relation between them are discussed. It is shown how the electric field set up between the ionic species depends on the gradient of the species’ concentrations. Furthermore, the capillary hysteresis effects are illustrated by a proposed model, which leads to the determination of several microstructure properties, such as the pore size distribution and the tortuosity-connectivity of the porous network. El fenómeno de corrosión del acero de refuerzo embebido en el hormigón ha tenido gran influencia en estructuras de hormigón armado, tanto en su funcionalidad estructural como en aspectos de durabilidad. La penetración de cloruros en el interior del hormigón esta considerada como el factor principal en el deterioro de la gran mayoría de estructuras. Por lo tanto, la modelización numérica de dicho fenómeno ha generado gran interés. El presente trabajo de investigación se centra en la modelización del transporte de cloruros en el interior del hormigón. Las ecuaciones diferenciales que gobiernan los fenómenos a nivel macroscópico se deducen de ecuaciones planteadas a nivel microscópico. Esto se obtiene comparando la red porosa con un poro equivalente, el cual mantiene las mismas propiedades de la red porosa real. El modelo está constituido por tres ecuaciones diferenciales acopladas que consideran el transporte de cloruros, el flujo de la solución de poro y la transferencia de calor. Con estas ecuaciones se tienen en cuenta los fenómenos de difusión, migración, advección, combinación y precipitación de cloruros. El análisis llevado a cabo en este trabajo ha definido los parámetros necesarios para calibrar el modelo. De acuerdo con ellas, se seleccionaron los ensayos experimentales a realizar. Las ecuaciones diferenciales se resolvieron mediante el método de elementos finitos. El método clásico de Galerkin se empleó para solucionar las ecuaciones de flujo de la solución de poro y de la transferencia de calor, mientras que el método streamline upwind Petrov-Galerkin se utilizó para resolver la ecuación de transporte de cloruros con la finalidad de evitar inestabilidades espaciales en problemas con advección dominante. El código de elementos finitos está implementado en Matlab® . Con el objetivo de facilitar la comprensión del grado de influencia de cada variable y parámetro, se realizó un análisis de sensibilidad detallado del modelo. Se llevó a cabo una campaña experimental sobre los hormigones estudiados, con el objeto de obtener sus propiedades difusivas, químicas e higroscópicas. El modelo se contrastó con datos experimentales obtenidos en una plataforma petrolera localizada en Brasil. Las simulaciones numéricas corroboraron los datos experimentales. Además, durante el desarrollo de la investigación se obtuvieron resultados paralelos a los planteados inicialmente. Por ejemplo, el análisis de diferentes coeficientes de difusión y la relación entre ellos. Así como también se observó que el campo eléctrico establecido entre las especies iónicas disueltas en la solución de poro depende del gradiente de concentración de las mismas. Los efectos de histéresis capilar son expresados por el modelo propuesto, el cual conduce a la determinación de una serie de propiedades microscópicas, tales como la distribución del tamaño de poro, además de la tortuosidad y conectividad de la red porosa.

Modelado numérico de la fisuración por corrosión de armaduras

Se propone un modelo de elementos finitos, para el estudio de los efectos mecánicos de la corrosión del acero en el hormigón armado. Dicho modelo se basa en una imposición ordenada de la corrosión de los elementos de acero, mediante un incremento ficticio de temperatura que produce unos efectos análogos, a la vez que la fisuración del hormigón se recoge mediante un modelo conocido de fisura difusa. Se incluye un ejemplo resuelto que muestra el modo de aplicación de este modelo a problemas reales y el tipo de resultados que se pueden obtener, que se refieren especialmente al estudio de la propagación de la fisuración en función de la penetración de la corrosión en el acero.

Estimación del error de discretización con principios variacionales multicampo: II. Flexión de placas

Desarrollos recientes para encajar dentro de un marco variacional la llamada Formulación Libre sugieren la posibilidad de introducir un nuevo tipo de estimador de error para cálculos por elementos finitos. Este estimador se basa en una diferencia entre ciertos funcionales multicampo, que toman el mismo valor para la solución exacta del problema. En el presente artículo, dividido en dos partes, se introduce la formulación del estimador para problemas de elasticidad y de flexión de placas según las hipótesis clásicas de Kirchhoff. Se presentan también algunos ejemplos para dar idea de los comportamientos numéricos observados.

Estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa. Parte III: ejemplo de simulación numérica

Publicamos la tercera parte y última de este artículo sobre estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa en el que, los autores, nos han ido exponiendo diferentes ejemplos. En esta ocasión, se pone patente que con el desarrollo de los ordenadores durante las últimas décadas se ha dado la posibilidad de utilizar el método de los elementos finitos (FEM: Finite Elements Method) para estudiar los efectos de una carga dinámica severa, como en el caso de las explosiones. A continuación se describe el uso del método para este tipo de situaciones de carga.

Validación numérica del comportamiento cíclico de conexiones interiores en estructuras con forjados reticulares

En este artículo se analizan distintas alternativas para modelar conexiones interiores forjado reticularpilar de hormigón armado y se propone una solución que con un coste computacional razonable proporcione resultados muy próximos a los experimentales. El modelo propuesto se valida numéricamente con los resultados obtenidos previamente de un ensayo de laboratorio realizado sobre un espécimen a escala 3/5 de la misma tipología estructural, sometido a ensayo cuasi-estático hasta el colapso. Para tal fin, se aplica la teoría avanzada de mecánica no lineal de hormigón armado sobre un modelo tridimensional de elementos finitos en análisis no-lineal: elementos tipo fibra para componentes unidimensionales y tipo capa para los bidimensionales. Los resultados principales de la simulación fueron: a) la obtención de la curva de capacidad mediante un análisis de empuje incremental (push-over) con control de desplazamientos; b) las curvas histeréticas en la losa, y c) los patrones de fisuras, logrando una concordancia revelada con los resultados experimentales.

Modelo de comportamiento plástico y rotura en aleaciones de solidificación direccional

Esta investigación presenta un modelo de material para aleaciones de solidificación direccional que poseen un comportamiento mecánico transversalmente isótropo. Se han realizado una serie de ensayos de tracción sobre probetas cilíndricas a varias velocidades de deformación y a varias temperaturas sobre la superaleación de base níquel de solidificación direccional MAR-M 247 con objeto de conocer su comportamiento mecánico. Los ensayos se realizaron sobre probetas cilíndricas cuya dirección longitudinal forma 0º y 90º con la de la orientación de crecimiento de los granos. Para representar el comportamiento plástico anisótropo se ha formulado una función de plastificación de forma no cuadrática basada en la transformación lineal de tensores. Con el propósito de simplificar en todo lo posible el modelo se ha considerado un endurecimiento isótropo. Para probar la validez del modelo propuesto se ha implementado el mismo como modelo de material definido por el usuario en el código no lineal de elementos finitos LS-DYNA. In this research a material model for directionally solidified alloys with transversely isotropic mechanic behavior is presented. In order to characterize the mechanical behavior of the Mar-M 247 directionally solidified nickel based superalloy, tensile tests of axisymmetric smooth specimens were performed at various strain rates and temperatures. The specimens were machined making sure that the longitudinal axis of them was forming 0º and 90º with the grain growth orientation. To represent the plastic flow, a non-quadratic anisotropic function based on linear transformation of tensors has been formulated. For the sake of simplicity isotropic strain hardening of the material has been considered. To prove the validity of the model, a material subroutine has been implemented in LS-DYNA non-linear finite element code as a user defined material model.