Flujo de potencia entre estructuras complejas sometidas a excitaciones de alta frecuencia y aplicaciones a la detección de daño estructural

El tema central de investigación en esta Tesis es el estudio del comportamientodinámico de una estructura mediante modelos que describen la distribución deenergía entre los componentes de la misma y la aplicación de estos modelos parala detección de daños incipientes.Los ensayos dinámicos son un modo de extraer información sobre las propiedadesde una estructura. Si tenemos un modelo de la estructura se podría ajustar éstepara que, con determinado grado de precisión, tenga la misma respuesta que elsistema real ensayado. Después de que se produjese un daño en la estructura,la respuesta al mismo ensayo variará en cierta medida; actualizando el modelo alas nuevas condiciones podemos detectar cambios en la configuración del modeloestructural que nos condujeran a la conclusión de que en la estructura se haproducido un daño.De este modo, la detección de un daño incipiente es posible si somos capacesde distinguir una pequeña variación en los parámetros que definen el modelo. Unrégimen muy apropiado para realizar este tipo de detección es a altas frecuencias,ya que la respuesta es muy dependiente de los pequeños detalles geométricos,dado que el tamaño característico en la estructura asociado a la respuesta esdirectamente proporcional a la velocidad de propagación de las ondas acústicas enel sólido, que para una estructura dada es inalterable, e inversamente proporcionala la frecuencia de la excitación. Al mismo tiempo, esta característica de la respuestaa altas frecuencias hace que un modelo de Elementos Finitos no sea aplicable enla práctica, debido al alto coste computacional.Un modelo ampliamente utilizado en el cálculo de la respuesta de estructurasa altas frecuencias en ingeniería es el SEA (Statistical Energy Analysis). El SEAaplica el balance energético a cada componente estructural, relacionando la energíade vibración de estos con la potencia disipada por cada uno de ellos y la potenciatransmitida entre ellos, cuya suma debe ser igual a la potencia inyectada a cadacomponente estructural. Esta relación es lineal y viene caracterizada por los factoresde pérdidas. Las magnitudes que intervienen en la respuesta se consideranpromediadas en la geometría, la frecuencia y el tiempo.Actualizar el modelo SEA a datos de ensayo es, por lo tanto, calcular losfactores de pérdidas que reproduzcan la respuesta obtenida en éste. Esta actualización,si se hace de manera directa, supone la resolución de un problema inversoque tiene la característica de estar mal condicionado. En la Tesis se propone actualizarel modelo SEA, no en término de los factores de pérdidas, sino en términos deparámetros estructurales que tienen sentido físico cuando se trata de la respuestaa altas frecuencias, como son los factores de disipación de cada componente, susdensidades modales y las rigideces características de los elementos de acoplamiento.Los factores de pérdidas se calculan como función de estos parámetros. Estaformulación es desarrollada de manera original en esta Tesis y principalmente sefunda en la hipótesis de alta densidad modal, es decir, que en la respuesta participanun gran número de modos de cada componente estructural.La teoría general del método SEA, establece que el modelo es válido bajounas hipótesis sobre la naturaleza de las excitaciones externas muy restrictivas,como que éstas deben ser de tipo ruido blanco local. Este tipo de carga es difícil dereproducir en condiciones de ensayo. En la Tesis mostramos con casos prácticos queesta restricción se puede relajar y, en particular, los resultados son suficientementebuenos cuando la estructura se somete a una carga armónica en escalón.Bajo estas aproximaciones se desarrolla un algoritmo de optimización por pasosque permite actualizar un modelo SEA a un ensayo transitorio cuando la carga esde tipo armónica en escalón. Este algoritmo actualiza el modelo no solamente parauna banda de frecuencia en particular sino para diversas bandas de frecuencia demanera simultánea, con el objetivo de plantear un problema mejor condicionado.Por último, se define un índice de daño que mide el cambio en la matriz depérdidas cuando se produce un daño estructural en una localización concreta deun componente. Se simula numéricamente la respuesta de una estructura formadapor vigas donde producimos un daño en la sección de una de ellas; como se tratade un cálculo a altas frecuencias, la simulación se hace mediante el Método delos Elementos Espectrales para lo que ha sido necesario desarrollar dentro de laTesis un elemento espectral de tipo viga dañada en una sección determinada. Losresultados obtenidos permiten localizar el componente estructural en que se haproducido el daño y la sección en que éste se encuentra con determinado grado deconfianza.AbstractThe main subject under research in this Thesis is the study of the dynamic behaviourof a structure using models that describe the energy distribution betweenthe components of the structure and the applicability of these models to incipientdamage detection.Dynamic tests are a way to extract information about the properties of astructure. If we have a model of the structure, it can be updated in order toreproduce the same response as in experimental tests, within a certain degree ofaccuracy. After damage occurs, the response will change to some extent; modelupdating to the new test conditions can help to detect changes in the structuralmodel leading to the conclusión that damage has occurred.In this way incipient damage detection is possible if we are able to detect srnallvariations in the model parameters. It turns out that the high frequency regimeis highly relevant for incipient damage detection, because the response is verysensitive to small structural geometric details. The characteristic length associatedwith the response is proportional to the propagation speed of acoustic waves insidethe solid, but inversely proportional to the excitation frequency. At the same time,this fact makes the application of a Finite Element Method impractical due to thehigh computational cost.A widely used model in engineering when dealing with the high frequencyresponse is SEA (Statistical Energy Analysis). SEA applies the energy balance toeach structural component, relating their vibrational energy with the dissipatedpower and the transmitted power between the different components; their summust be equal to the input power to each of them. This relationship is linear andcharacterized by loss factors. The magnitudes considered in the response shouldbe averaged in geometry, frequency and time.SEA model updating to test data is equivalent to calculating the loss factorsthat provide a better fit to the experimental response. This is formulated as an illconditionedinverse problem. In this Thesis a new updating algorithm is proposedfor the study of the high frequency response regime in terms of parameters withphysical meaning such as the internal dissipation factors, modal densities andcharacteristic coupling stiffness. The loss factors are then calculated from theseparameters. The approach is developed entirely in this Thesis and is mainlybased on a high modal density asumption, that is to say, a large number of modescontributes to the response.General SEA theory establishes the validity of the model under the asumptionof very restrictive external excitations. These should behave as a local white noise.This kind of excitation is difficult to reproduce in an experimental environment.In this Thesis we show that in practical cases this assumption can be relaxed, inparticular, results are good enough when the structure is excited with a harmonicstep function.Under these assumptions an optimization algorithm is developed for SEAmodel updating to a transient test when external loads are harmonic step functions.This algorithm considers the response not only in a single frequency band,but also for several of them simultaneously.A damage index is defined that measures the change in the loss factor matrixwhen a damage has occurred at a certain location in the structure. The structuresconsidered in this study are built with damaged beam elements; as we are dealingwith the high frequency response, the numerical simulation is implemented witha Spectral Element Method. It has therefore been necessary to develop a spectralbeam damaged element as well. The reported results show that damage detectionis possible with this algorithm, moreover, damage location is also possible withina certain degree of accuracy.

Metodología para la evaluación de la consistencia del trazado de carreteras interurbanas de dos carriles

La consistencia del trazado puede interpretarse como la relación entre las características geométricas de una carretera y lo que espera encontrar el conductor que circula por ella. Si hay una correspondencia entre estos dos aspectos, la conducción puede hacerse de modo continuo, sin sobresaltos, lo que incide favorablemente sobre la seguridad en la circulación. Si bien hay una serie de recomendaciones desde el punto de vista geométrico para obtener trazados consistentes, esto no siempre se logra, y sólo en los últimos años se ha iniciado el estudio de metodologías para evaluar ésto, tanto en vías existentes como en vías proyectadas. La mayor parte de estas metodologías sólo considera el trazado en planta, olvidándose del trazado en alzado y de la coordinación entre los mismos. En esta Tesis doctoral se ha desarrollado una metodología para evaluar la consistencia del trazado en carreteras interurbanas de dos carriles que considera dichos aspectos. Para ello, se hizo un análisis exhaustivo de los índices de trazado, los cuales evalúan las características geométricas en planta y en alzado. Los índices se correlacionaron con la accidentalidad, para determinar cuál de ellos tiene mayor incidencia, encontrándose que es el cambio de curvatura vertical (VCCR); a este índice se le estableció un rango de calificación. Como elemento de evaluación complementario de análisis se seleccionó el perfil de velocidades de operación, procedimiento que ha sido probado en diferentes investigaciones, y del cual se desarrolló un modelo aplicado a Colombia. Para la coordinación de trazados en planta y alzado se evaluaron diferentes combinaciones geométricas, algunas de las cuales generaron reapariciones del trazado. Se ha definido un nuevo índice (Irt) que permite determinar numéricamente la posibilidad de que se presente esta situación, indeseable desde el punto de vista de la seguridad vial. La combinación de estos tres elementos permite una evaluación integral de los diferentes aspectos que inciden sobre la consistencia del trazado de una carretera. La metodología desarrollada se aplicó en el estudio de consistencia del trazado en algunas carreteras españolas y colombianas, ubicadas en distintos tipos de terreno. ABSTRACT Geometric Design Consistency can be defined as the relationship between the geometric characteristics of a road and what the driver expects to find when driving. If there is a correspondence between these two aspects, driving is smoother and unexpected events are minimized, which increases traffic safety conditions. Although from the geometric point of view there are several recommendations to ensure consistent designs, this is not always successfully applied. The study of methods to evaluate design consistency in existing and future routes has only begun in recent years. Most existing methods only consider the horizontal alignment of the road and overlook both the vertical alignment and the coordination that must exist between the vertical and the horizontal. The present Doctoral Thesis proposes a method to evaluate the geometric design consistency of a two-lane rural highway which considers all three of these aspects: the horizontal alignment, the vertical alignment and the coordination that must exist between them. In order to achieve this, several different alignment indices, that evaluate horizontal and vertical geometric characteristics, were thoroughly analyzed to determine their correlation with traffic accidents. The Vertical Curvature Change Rate (VCCR) index showed the highest correlation, and rating thresholds for this index have been established. To complement the evaluation, the operating speed profile, was chosen. This procedure has been extensively tested by several researchers. An operating speed prediction model adapted to Colombia was developed. To study the coordination between the horizontal and the vertical alignments of the road, several geometric combinations of the two were used. Some of these combinations generate undesirable losses of visibility. For this reason, a new index (Irt) was defined to numerically detect those cases, which are undesirable from the point of view of traffic safety. The combination of these three factors allows a comprehensive evaluation of the different aspects that affect the geometric design consistency of a highway. The methodology was applied to some Spanish and Colombian roads located in different types of terrain.

Caracterización del comportamiento en fractura de paneles sandwich de placas de yeso laminado y lana de roca

En esta comunicación se presenta el trabajo realizado para la caracterización experimental de un panel sándwich de yeso laminado y lana de roca, así como de cada uno de sus componentes: placa de yeso laminado, placa de yeso, lana de roca y papel. Para ello se diseñó una campaña de ensayos destinados a obtener las propiedades resistentes de los materiales estudiados, así como la energía específica de fractura, GF, y las curvas completas de carga aplicada frente a desplazamientos. A partir de los resultados experimentales se ha observado que la energía de fractura está muy condicionada por el espesor de la lana de roca, y no tanto por el de la placa. Para simular numéricamente el comportamiento en fractura del panel se ha utilizado un modelo de elementos finitos con fisura embebida basado en la fisura cohesiva en el que se introducen como entrada los parámetros obtenidos a partir de la experimentación, obteniéndose una buena aproximación

Durabilidad del hormigón frente a los ciclos hielo-deshielo. Evaluación de dos tipos de hormigón.

El presente trabajo estudia el comportamiento de dos hormigones frente al ensayo de resistencia al hielo-deshielo de hormigones endurecidos. La incorporación de un aditivo aireante mejora de forma sensible el comportamiento del hormigón frente a este ensayo. Sin embargo, en hormigón pretensado con cordón adherente está prohibido el uso de aditivos aireantes. Una estrategia adecuada es emplear humo de sílice para mejorar la impermeabilidad del hormigón. En este trabajo se compara el comportamiento de un hormigón con aditivo aireante y otro con humo de sílice frente al ensayo de resistencia al hielo-deshielo. Además, estudia la viabilidad de emplear técnicas alternativas de medida del deterioro superficial: modificación de la velocidad de pulso ultrasónico y medida de la deformación superficial con galgas extensométricas. Ambas técnicas se muestran viables y aportan ventajas frente al peso de la masa superficial desprendida por descascarillamiento

Detección y seguimiento de objetos en vídeos de actividades de vida diaria para rehabilitación de pacientes con daño cerebral adquirido

Las técnicas de rehabilitación permiten la recuperación y mejora de las funciones dañadas o deterioradas y ayuda al paciente con DCA a adaptarse a su nueva situación. El avance tecnológico que se ha producido en las últimas décadas, ha impulsado la investigación en el diseño y desarrollo de nuevos modelos de rehabilitación. La tecnología de vídeo interactivo se convierte en un elemento de apoyo en estos nuevos modelos rehabilitadores. Se hace necesario desarrollar nuevos algoritmos de segmentación y seguimiento que permitan dotar de información adicional a los vídeos. En este trabajo se han implementado y evaluado dos métodos que permiten realizar la detección y el seguimiento de objetos de interés.

Nuevos Materiales de Base Yeso con Incorporación de Residuos de Caucho: Caracterización Físico-Mecánica

El objetivo de este trabajo es contribuir a la valorización del residuo de caucho sintético que proviene de coquillas aislantes de tuberías, estudiando su comportamiento formando parte del material compuesto escayola-caucho. Para ello se ha elaborado un plan experimental que permite evaluar su idoneidad como material de construcción, caracterizando el nuevo compuesto desde el punto de vista físico-mecánico; peso desecado, dureza Shore C, resistencia a flexión y resistencia a compresión. Se han estudiado cuatro granulometrías de residuo de caucho, 1-2 mm, 2-4 mm, 4-6 mm y 20-25 mm y distintos porcentajes de incorporación a la escayola, 1,25%; 2,50%; 5,00% y 7,50%, con una relación de agua/escayola de 0,76. Los resultados de los ensayos muestran que a pesar de que las resistencias mecánicas disminuyen con la incorporación del caucho, se obtiene un material de baja densidad, existiendo buena compatibilidad entre el residuo de caucho y la matriz de escayola, distribuyéndose los granos de caucho uniformemente en las probetas.

Análisis comparativo de algoritmos de aprendizaje para predecir la evolución de pacientes con Daño Cerebral Adquirido

ste trabajo presenta un análisis comparativo entre tres algoritmos de aprendizaje diferentes basados en Árboles de Decisión (C4.5) y Redes Neuronales Artificiales (Perceptrón Multicapa MLP y Red Neuronal de Regresión General GRNN) que han sido implementados con el objetivo de predecir los resultados de la rehabilitación cognitiva de personas con daño cerebral adquirido. En el análisis se han incluido datos demográficos del paciente, el perfil de afectación y los resultados provenientes de las tareas de rehabilitación ejecutadas por los pacientes. Los modelos han sido evaluados utilizando la base de datos del Institut Guttmann. El rendimiento de los algoritmos se midió a través del análisis de la especificidad, sensibilidad y exactitud en la precisión y el análisis de la matriz de confusión. Los resultados muestran que la implementación del C4.5 alcanzó una especificidad, sensibilidad y exactitud en la precisión del 98.43%, 83.77% y 89.42% respectivamente. El rendimiento del C4.5 fue significativamente superior al obtenido por el Perceptrón Multicapa y la Red de Regresión General.

Minería de Datos usando Metaplasticidad Artificial en la Rehabilitación Cognitiva de Pacientes con Daño Cerebral

El propósito principal de esta investigación es la aplicación de la Metaplasticidad Artificial en un Perceptrón Multicapa (AMMLP) como una herramienta de minería de datos para la predicción y extracción explícita de conocimiento del proceso de rehabilitación cognitiva en pacientes con daño cerebral adquirido. Los resultados obtenidos por el AMMLP junto con el posterior análisis de la base de datos ayudarían a los terapeutas a conocer las características de los pacientes que mejoran y los programas de rehabilitación que han seguido. Esto incrementaría el conocimiento del proceso de rehabilitación y facilitaría la elaboración de hipótesis terapéuticas permitiendo la optimización y personalización de las terapias. La evaluación del AMMLP se ha realizado con datos proporcionados por el Institut Guttmann. Los resultados del AMMLP fueron comparados con los obtenidos con una red neuronal de retropropagación y con árboles de decisión. La exactitud en la predicción obtenida por el AMMLP en la subfunción cognitiva memoria verbal-visual fue de 90.71 %, resultado muy superior a los obtenidos por los demás algoritmos.

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

Análisis de Estimación Óptima del Accidente de Pérdida de Refrigerante por Rotura Pequeña de 1”en Cabeza de Vasija en un Reactor tipo PWR

En el año 2002 durante una inspección se localizó una importante corrosión en la cabeza de la vasija de Davis Besse NPP. Si no se hubiera producido esa detección temprana, la corrosión hubiera provocado una pequeña rotura en la cabeza de la vasija. La OECD/NEA consideró la importancia de simular esta secuencia en la instalación experimental ROSA, la cual fue reproducida posteriormente por grupos de investigación internacionales con varios códigos de planta. En este caso el código utilizado para la simulación de las secuencias experimentales es TRACE. Los resultados de este test experimental fueron muy analizados internacionalmente por la gran influencia que dos factores tenía sobre el resultado: las acciones del operador relativas a la despresurización y la detección del descubrimiento del núcleo por los termopares que se encuentran a su salida. El comienzo del inicio de la despresurización del secundario estaba basado en la determinación del descubrimiento del núcleo por la lectura de los temopares de salida del núcleo. En el experimento se registró un retraso importante en la determinación de ese descubrimiento, comenzando la despresurización excesivamente tarde y haciendo necesaria la desactivación de los calentadores que simulan el núcleo del reactor para evitar su daño. Dada las condiciones excesivamente conservadoras del test experimentale, como el fallo de los dos trenes de inyección de alta presión durante todo el transitorio, en las aplicaciones de los experimentos con modelo de Almaraz NPP, se ha optado por reproducir dicho accidente con condiciones más realistas, verificando el impacto en los resultados de la disponibilidad de los trenes de inyección de alta presión o los tiempos de las acciones manuales del operador, como factores más limitantes y estableciendo el diámetro de rotura en 1”

Simulación y modelización de las escaleras mecánicas como vía para la mejora del confort de los pasajeros y la disminución de costes

La escalera mecánica lleva más de un siglo entre nosotros, sin apenas variar su diseño de forma notoria. La simulación mecánica de este sistema multicuerpo, asignatura pendiente en la actualidad, ahorrará tiempo y dinero frente a los experimentos tradicionales. En esta línea, CITEF está desarrollando una serie herramientas de mejora del diseño basadas en modelos estáticos, cinemáticos y dinámicos para la simulación del comportamiento de la escalera mecánica convencional así como para el desarrollo y análisis de nuevos diseños. Estas herramientas permitirán el estudio de variables como son la velocidad y la aceleración del peldaño, así como los valores de tensión de la cadena y de reacción de los rodillos. Con los resultados obtenidos se podrán inferir mejoras que supongan una disminución del coste del conjunto de la escalera y del coste de mantenimiento, así como un aumento del confort del usuario.

Desarrollo en la definición geométrica y en el modelado de la degradación mecánica de las paredes arteriales en el cayado aórtico

Desarrollo de técnicas para la reconstrucción de imágenes médicas y mallas de elementos finitos. Desarrollo de modelos de comportamiento mecánico para reproducir la degradación de la capacidad portante en la pared arterial.

Comparación del movimiento de alcance entre sujetos Sanos y Patológicos en Neurorrehabilitación Funcional de Extremidad Superior

El presente trabajo de investigación tiene como propósito principal realizar una comparación del movimiento de alcance entre sujetos aquejados de Daño Cerebral Adquirido y el correspondiente patrón de normalidad. La finalidad de esta comparación es detectar los déficits motores que permitan posteriormente emitir una valoración funcional del movimiento como parte de un método de evaluación objetiva de la función motora. La comparación del movimiento se basa en las medidas de parámetros espaciales y de similitud. En este trabajo se han utilizado modelos de movimiento de sujetos sanos en ejecuciones de Actividades de Vida Diaria (e.g. 'servir agua de una jarra'), como punto de referencia para encontrar diferencias relevantes con respecto a los datos de movimiento de cuatro pacientes bajo un proceso de Neurorrehabilitación Funcional de Extremidad Superio

Estabilidad del tráfico en viaductos de carretera y ferrocarril

Cuando un automóvil o un tren circula sobre un viaducto se producen efectos dinámicos que, además de aumentar los esfuerzos que ha de soportar el puente, afectan a los propios vehículos. Los fenómenos de vibración lateral en los viaductos de ferrocarril están contemplados de manera muy sucinta en la normativa y pueden afectar a la seguridad y comodidad del tráfico. En el caso de las carreteras, esa dinámica también puede contribuir al riesgo de accidente y al aumento de la sensación de incomodidad, sobre todo si se considera la presencia de vientos laterales. La preocupación por estos fenómenos queda reflejada en el número de artículos publicados en revistas científicas en los últimos años. Para este trabajo se han desarrollado modelos de interacción dinámica que representan el comportamiento de las estructuras, mediante el método de los elementos finitos, y el de los vehículos, mediante sistemas multicuerpo.

Análisis estructural 3D de los invernaderos multitunel del sudeste de España. Elementos verticales

Este trabajo analiza la capacidad estructural de los elementos verticales que componen el pórtico resistente más limitativo de la variante de invernadero multitúnel más utilizada en el sudeste de España. Se estudia la influencia de la longitud y anchura del invernadero en la distribución de tensiones que se produce en dichos elementos. Se ha realizado un modelo tridimensional de elementos finitos con el programa ROBOT MILLENNIUM en su versión 20.1 en el que se ha representado la estructura de barras que conforma el invernadero. Se han analizado los resultados de tensiones normales máximas de 16 estructuras con geometría de túnel similar, pero de diferente anchura y longitud, de tal forma que la superficie en planta oscila entre los 600 m 2 y los 38.400 m 2 . El cálculo de las acciones existentes sobre los invernaderos se ha realizado según la norma UNE-EN 13031-1. Los resultados numéricos obtenidos han sido estudiados para determinar la influencia de las dimensiones del invernadero en la distribución de tensiones. Aunque se observan significativas reducciones en las tensiones con la adición de túneles, no se puede generalizar la influencia del aumento de las dimensiones del invernadero en los cambios tensionales del mismo. Los resultados obtenidos se consideran de gran utilidad para la optimización de las estructuras de los invernaderos multitúnel así como para garantizar la seguridad mecánica de las mismas