Caracterización morfológica y geométrica de curvas tipo para diseño de pantallas acústicas tubulares y su aplicación al campo de la protección ambiental en la ingeniería civil

El desarrollo económico y social, a veces excesivamente rápido, que se ha producido en las últimas décadas ha generado una serie de problemas medioambientales generalmente más acuciantes en el entorno de las grandes ciudades. Dentro de este contexto y debido a este desarrollo exponencial de las actividades humanas, la contaminación acústica se ha convertido en uno de los problemas de peor solución, tanto a nivel de reducción como de atenuación, por lo que el diseño de pantallas acústicas está siendo uno de los objetivos prioritarios en la lucha contra la contaminación sonora. La expresión más extendida para designar a las barreras acústicas es la de pantallas acústicas, entendiéndose por éstas, muros de espesor relativamente pequeño concebidos como barreras acústicas. Hasta la fecha los avances en el diseño de estas pantallas han sido notables y ya se cuentan por cientos los kilómetros de las mismas que han sido construidas e instaladas, sobre todo en la periferia de las grandes ciudades cerca de las llamadas vías de tráfico rápido. Estos avances se han centrado sobre todo en el diseño de materiales de gran poder de absorción de las ondas, como método principal de atenuación, o bien en la forma geométrica de la superficie expuesta al tráfico, formas que por medio de reflexiones son capaces de anular o mitigar parte de la energía transportada por las ondas sonoras. A la vista de estos resultados las actuales pantallas acústicas reducen el nivel sonoro por atenuación, pero no son capaces de anular la onda incidente. Por otro lado, los últimos estudios de la tecnología japonesa en estos temas es el análisis del problema de borde, ya que este fenómeno de difracción es uno de los causantes principales del nivel sonoro en el trasdós de la pantalla. Pese a que es imposible anular este efecto de borde los estudios se han encauzado a intentar obtener una forma de la sección de la pantalla en su parte superior que sea capaz de mitigar este efecto, bien por interferencia entre las ondas incidentes o bien por superposición de diversos fenómenos de difracciones. En este orden de cosas entra a escena el concepto de pantalla tubular, como una nueva pantalla perforada que anula ondas sonoras basándose en el efecto físico de los tubos de Kundt. Su funcionamiento es debido a la propiedad de las ondas sonoras de producir resonancias al transmitirse dentro de cavidades de diferentes secciones tipo. Este tipo de pantallas se olvida del concepto clásico de pantalla acústica y su forma de atenuar el sonido y pasa al cálculo de la atenuación por eliminación de frecuencias. Esta tesis ofrece una nueva visión de este tipo de pantallas tubulares, optimizando su funcionamiento en función de la longitud de las cavidades tubulares, que han de ser diseñadas no de forma rectilínea, sino según directrices de curvas conocidas. El método operativo consistirá en aplicar las propiedades morfológicas de estas curvas a la propagación de ondas dentro de cavidades curvilíneas, obteniendo una serie de funciones de onda transmitidas y otras anuladas, lo que permite evaluar el porcentaje de energía que es capaz de anular cada tipo de curva para un espesor prefijado de pantalla. Este planteamiento nos permite elaborar un método de diseño y optimización por consideraciones exclusivamente geométricas, en función de un número muy reducido de parámetros, entre los que destaca la frecuencia que se presenta con mayor asiduidad, que es la principal causante del nivel sonoro. Asimismo, el método está apoyado en gran manera en un soporte gráfico, lo que le hace de sencilla aplicación incluso entre técnicos no excesivamente acostumbrados a trabajar con ondas sonoras. Como resumen final, las aportaciones más relevantes que incorpora esta tesis son las siguientes: Desarrollo práctico de la teoría global de pantallas acústicas tubulares ; Aplicación de la geometría clásica, en el concepto de longitudes de curvas tipo, a las técnicas de ingeniería del medio ambiente lo que representa un avance cualitativo notable ya que hasta la fecha no se había planteado la interacción de dos disciplinas en apariencia tan dispares y de conceptos tan heterogéneos ; Desarrollo de un método secuencial que es capaz de engarzar el análisis acústico de un cierto flujo de tráfico vehicular con el análisis geométrico de curvas tipo y dotar así al futuro diseñador de pantallas acústicas de una poderosa herramienta que le permita variar la tipología y forma de la pantalla en función de parámetros que pueden variar de manera aleatoria.

Degradación del comportamiento a flexión de perfiles tubulares de acero expuestos a la intemperie utilizados como protecciones colectivas y medios auxiliares en edificación

Los perfiles tubulares de acero (PTA) son más habitualmente empleados el ámbito de las protecciones colectivas (PC) y medios auxiliares de edificación (MAE), al ser usados en ámbitos de seguridad, adquieren una importancia tal que motiva el estudio de la fiabilidad de su comportamiento mecánico. Por ello se motiva este trabajo estudiando a flexión PTA con las mismas calidades que los que habitualmente se emplean en PC y MAE. Han sido ensayadas a flexión un total de 150 secciones de PTA, utilizando como variables la velocidad del ensayo, la distancia entre los apoyos, la influencia del dispositivo de apoyo y la comparativa entre el comportamiento de PTA expuestos a la intemperie durante 3 años en la Sierra de Guadarrama (en servicio como postes en sistemas de protección de borde) con PTA adquiridos. En este trabajo se ha evaluado en todos los casos las diferencias existentes entre los espesores de cada PTA medido con calibre, su espesor nominal y su espesor medio de cada tubo. El esquema de solicitaciones y tensiones resultante del ensayo de flexión es muy similar en la mayoría de los casos a los esquemas de solicitaciones y tensiones reales a los que trabajan los PTA utilizados como PC y MAE. En este caso, la sección más desfavorable esta solicitada por el máximo momento flector y el máximo cortante y la variación del flector a lo largo de las barras es lineal. Documentos técnicos como el CTE-SE-A o el EC3, establecen una clasificación para determinar el método de cálculo de las secciones de acero, y en la que la mayoría de las secciones de los PTA son clase 1(aquella que permite la formación de una rótula plástica con capacidad de rotación suficiente para la redistribución de momentos) con lo que es posible utilizar el cálculo plástico o el elástico para la determinación de las solicitaciones. Esta clasificación indica directamente la capacidad de aprovechamiento de la sección antes de que se produzca la abolladura y depende de las dimensiones de las secciones de los PTA. Estudios anteriores desvelan que los PTA no llegan a plastificarse ya que antes de que se produzca este fenómeno se abollan, lo que motiva el colapso. Como resultado de este trabajo de investigación se pretende estudiar, como ya predijo en su tesis González García, M.N. [1] que la clasificación de secciones indicada por EC3 o CTE para PTA queda del lado de la inseguridad porque predice comportamientos plásticos en secciones que no tienen posibilidad de plastificación.

Extracción Automática de la Línea Central de Estructuras Tubulares: Implementación Matricial

Se propone una nueva implementación matricial de un algoritmo para la extracción automática de la línea central de estructuras tubulares. El algoritmo seleccionado calcula la línea central de estructuras complejas sin la necesidad de interacción con el usuario. En el trabajo se explica detalladamente cómo llevar a cabo la implementación matricial utilizando el lenguaje de computación de Matlab. La implementación matricial permite el cálculo de la línea central en pocos segundos, mejorando en varios grados de magnitud la implementación disponible en ITK.

Métodos numéricos y estadísticos de caracterización de uniones tubulares soldadas para su aplicación en modelos de elementos finitos de estructuras de vehículos

El análisis de estructuras mediante modelos de elementos finitos representa una de las metodologías más utilizadas y aceptadas en la industria moderna. Para el análisis de estructuras tubulares de grandes dimensiones similares a las sobrestructuras de autobuses y autocares, los elementos de tipo viga son comúnmente utilizados y recomendados debido a que permiten obtener resultados satisfactorios con recursos computacionales reducidos. No obstante, los elementos de tipo viga presentan importante desventaja ya que las uniones modeladas presentan un comportamiento infinitamente rígido, esto determina un comportamiento mas rígido en las estructuras modeladas lo que se traduce en fuentes de error para las simulaciones estructurales (hasta un 60%). Mediante el modelado de uniones tubulares utilizando elementos de tipo área o volumen, se pueden obtener modelos más realistas, ya que las características topológicas de la unión propiamente dicha pueden ser reproducidas con un mayor nivel de detalle. Evitándose de esta manera los inconvenientes de los elementos de tipo viga. A pesar de esto, la modelización de estructuras tubulares de grandes dimensiones con elementos de tipo área o volumen representa una alternativa poco atractiva debido a la complejidad del proceso de modelados y al gran número de elementos resultantes lo que implica la necesidad de grandes recursos computacionales. El principal objetivo del trabajo de investigación presentado, fue el de obtener un nuevo tipo de elemento capaz de proporcionar estimaciones más exactas en el comportamiento de las uniones modeladas, al mismo tiempo manteniendo la simplicidad del procesos de modelado propio de los elementos de tipo viga regular. Con el fin de alcanzar los objetivos planteados, fueron realizadas diferentes metodologías e investigaciones. En base a las investigaciones realizadas, se obtuvo un modelo de unión viga alternativa en el cual se introdujeron un total seis elementos elásticos al nivel de la unión mediante los cuales es posible adaptar el comportamiento local de la misma. Adicionalmente, para la estimación de las rigideces correspondientes a los elementos elásticos se desarrollaron dos metodologías, una primera basada en la caracterización del comportamiento estático de uniones simples y una segunda basada en la caracterización del comportamiento dinámico a través de análisis modales. Las mejoras obtenidas mediante la implementación del modelo de unión alternativa fueron analizadas mediante simulaciones y validación experimental en una estructura tubular compleja representativa de sobrestructuras de autobuses y autocares. En base a los análisis comparativos realizados con la uniones simples modeladas y los experimentos de validación, se determinó que las uniones modeladas con elementos de tipo viga son entre un 5-60% más rígidas que uniones equivalentes modeladas con elementos área o volumen. También se determinó que las uniones área y volumen modeladas son entre un 5 a un 10% mas rígidas en comparación a uniones reales fabricadas. En los análisis realizados en la estructura tubular compleja, se obtuvieron mejoras importantes mediante la implementación del modelo de unión alternativa, las estimaciones del modelo viga se mejoraron desde un 49% hasta aproximadamente un 14%. ABSTRACT The analysis of structures with finite elements models represents one of the most utilized an accepted technique in the modern industry. For the analysis of large tubular structures similar to buses and coaches upper structures, beam type elements are utilized and recommended due to the fact that these elements provide satisfactory results at relatively reduced computational performances. However, the beam type elements have a main disadvantage determined by the fact that the modeled joints have an infinite rigid behavior, this shortcoming determines a stiffer behavior of the modeled structures which translates into error sources for the structural simulations (up to 60%). By modeling tubular junctions with shell and volume elements, more realistic models can be obtained, because the topological characteristics of the junction at the joint level can be reproduced more accurately. This way, the shortcoming that the beam type elements present can be solved. Despite this fact, modeling large tubular structures with shell or volume type elements represents an unattractive alternative due to the complexity of the modeling process and the large number of elements that result which imply the necessity of vast computational performances. The main objective of the research presented in this thesis was to develop a new beam type element that would be able to provide more accurate estimations for the local behavior of the modeled junctions at the same time maintaining the simplicity of the modeling process the regular beam type elements have. In order to reach the established objectives of the research activities, a series of different methodologies and investigations have been necessary. From these investigations an alternative beam T-junction model was obtained, in which a total of six elastic elements at the joint level were introduced, the elastic elements allowed us to adapt the local behavior of the modeled junctions. Additionally, for the estimation of the stiffness values corresponding to the elastic elements two methodologies were developed, one based on the T-junction’s static behavior and a second one based on the T-junction’s dynamic behavior by means of modal analysis. The improvements achieved throughout the implementation of this alternative T-junction model were analyzed though mechanical validation in a complex tubular structures that had a representative configuration for buses and coaches upper structures. From the comparative analyses of the finite element modeled T-junctions and mechanical experimental analysis, was determined that the beam type modeled T-junctions have a stiffer behavior compared to equivalent shell and volume modeled T-junctions with average differences ranging from 5-60% based on the profile configurations. It was also determined that the shell and volume models have a stiffer behavior compared to real T-junctions varying from 5 to 10% depending on the profile configurations. Based on the analysis of the complex tubular structure, significant improvements were obtained by the implementation of the alternative beam T-junction model, the model estimations were improved from a 49% to approximately 14%.

Evaluación teórico experimental de la influencia de espumas de relleno metálicas como elementos de absorción de energía en perfiles tubulares de pequeño espesor. Su aplicación a vehículos para el transporte colectivo de personas

Los accidentes con implicación de autocares en los que se producen vuelcos ponen de manifiesto la especial agresividad de los mismos, como lo confirman las estadísticas. Como medida para mejorar la seguridad de los Vehículos de Grandes Dimensiones para el Transporte de Pasajeros (V.G.D.T.P.) frente a vuelco fue aprobado por las Naciones Unidas el Reglamento Nº 66 de Ginebra. Este reglamento establece los requisitos mínimos que las estructuras de los vehículos de grandes dimensiones deben cumplir con respecto a vuelco. El reglamento 66 ha supuesto un paso adelante muy importante en relación con la seguridad de los autocares, puesto que especifica por primera vez requerimientos estructurales a este tipo de vehículos, y en general ha supuesto una mejora del vehículo . Por otro lado, a consecuencia de la obligatoriedad de instalación de cinturones de seguridad, existe una unión entre pasajeros y vehículo, pero como no se trata de una unión rígida, hay que contemplar el porcentaje de la masa de los ocupantes que influye en la absorción de energía de la estructura. Además la retención de los ocupantes con cinturones de seguridad influye en la energía a absorber por la estructura del vehículo en dos aspectos, por un lado aumenta la masa del vehículo y en el otro se incrementa la altura el centro de gravedad. Esta situación a conducido a elaborar por parte de las Naciones Unidas la revisión 01 del Reglamento 66, en el que se considera que el 50 % de la masa total de los pasajeros posee una unión rígida con la estructura del vehículo, y por lo tanto debe ser tenida en cuenta si el vehículo posee sistemas de retención. En la situación actual, con limitaciones de peso del vehículo y peso por eje, los elementos de confort, seguridad y espacio para maleteros contribuyen a aumentar el peso del vehículo. Esto unido a la dificultad de introducción de cambios radicales en la concepción actual de fabricación de este tipo de vehículos por suponer unas pérdidas importantes para los fabricantes existentes, tanto en su conocimiento del producto como en su metodología de proceso, conlleva la necesidad cada vez más agobiante de analizar y evaluar otras alternativas estructurales que sin suponer grandes revoluciones a los productos actualmente en fabricación los complementen permitiendo adaptarse a los nuevos requerimientos en seguridad. Recientes desarrollos en la relación costo-beneficio de los procesos para la producción de materiales celulares metálicos de baja densidad, tales como las espumas metálicas, los posiciona como una alternativa de especial interés para la aplicación como elementos de absorción de energía para reforzar estructuras. El relleno con espumas metálicas puede ser más eficiente en términos de optimización de peso comparado con el aumento de espesor de los perfiles estructurales, dado que la absorción de energía se produce en una fracción relativamente pequeña de los perfiles, en las denominadas rótulas plásticas. La aplicación de espumas de relleno metálicas en estructuras de vehículos se está empezando a emplear en determinadas zonas de los vehículos de turismo, siendo totalmente novedosa cualquier intento de aplicación en estructuras de autobuses y autocares. Conforme a lo expuesto, y con el objeto de resolver estos problemas, se ha elaborado el presente trabajo de tesis doctoral, cuyos objetivos son: -Desarrollar un modelo matemático, que permita simular el ensayo de vuelco, considerando la influencia de los ocupantes retenidos con cinturones de seguridad para evaluar su influencia en la absorción de energía de la estructura. -Validar el modelo matemático de vuelco de la estructura mediante ensayos de secciones representativas de la estructura del vehículo y mediante el ensayo de un vehículo completo. -Realizar un estudio de las propiedades de las espumas metálicas que permitan incorporarlas como elemento de absorción de energía en el relleno de componentes de la superestructura de autobuses y autocares. -Desarrollar un modelo matemático para evaluar el aporte del relleno de espuma metálica en la absorción de energía ante solicitaciones por flexión estática y dinámica en componentes de la superestructura de autobuses o autocares. -Realizar un programa de ensayos a flexión estáticos y dinámicos para validar el modelo matemático del aporte del relleno de espuma metálica sobre componentes de la superestructura de autobuses y autocares. . -Incorporar al modelo matemático de vuelco de la estructura, los resultados obtenidos sobre componentes con relleno de espuma metálica, para evaluar el aporte en la absorción de energía. -Validar el modelo de vuelco de la estructura del autobús o autocar con relleno de espuma metálica, mediante ensayos de secciones de carrocería. ABSTRACT Accidents involving buses in which rollovers occur reveal the special aggressiveness thereof, as the statistics prove. As a measure to improve the safety of large vehicles for the transport of passengers to rollover, Regulation 66 of Geneva was approved by the United Nations. This regulation establishes the minimum requirements that structures of large vehicles must comply with respect to rollovers. The regulation 66 has been a major step forward in relation to the safety of coaches, since it specifies structural requirements to such vehicles and has been an improvement for the vehicle. In turn, as a result of compulsory installation of safety belts, there is contact between passengers and vehicle, but as it is not a rigid connection we must contemplate the percentage of the mass of the occupants that impacts on the energy absorption of the structure. Thus, the passengers’ restraining modifies the energy to absorb by the vehicle in two different aspects: On the one hand, it increases the vehicle weight and on the other the height of the center of gravity. This circumstance has taken the United Nations to elaborate Revision 01 of Regulation 66, in which it is considered that the 50 percent of passengers’ mass has a rigid joint together with the vehicle structure and, therefore, the passengers’ mass mentioned above should be highly considered if the vehicle has seat belts. In the present situation, in which limitations in vehicle weight and weight in axles are stricter, elements of comfort, safety and space for baggage are contributing to increase the weight of the vehicle. This coupled with the difficulty of introducing radical changes in the current conception of manufacturing such vehicles pose significant losses for existing manufacturers, both in product knowledge and process methodology, entails the overwhelming need to analyze and evaluate other structural alternatives without assuming relevant modifications on the products manufactured currently allowing them to adapt to the new safety requirements. Recent developments in cost-benefit processes for the production of metallic foams of low density, such as metal foams, place them as an alternative of special interest to be used as energy absorbers to strengthen structures. The filling with metal foams can be more efficient in terms of weight optimization compared with increasing thickness of the structural beams, since the energy absorption occurs in a relatively small fraction of the beams, called plastic hinges. The application of metal filling foams in vehicle structures is beginning to be used in certain areas of passenger cars, being an innovative opportunity in structures for application in buses and coaches. According to the mentioned before, and in order to come forward with a solution, this doctoral thesis has been prepared and its objectives are: - Develop a mathematical model to simulate the rollover test, considering the influence of the occupants held with seat belts to assess their influence on energy absorption structure. - Validate the mathematical model of the structure rollover by testing representative sections of the vehicle structure and by testing a complete vehicle. - Conduct a study of the properties of metal foams as possible incorporation of energy absorbing element in the filler component of the superstructure of buses and coaches. - Elaborate a mathematical model to assess the contribution of the metal foam filling in absorbing energy for static and dynamic bending loads on the components of buses or coaches superstructure. - Conduct a static and dynamic bending test program to validate the mathematical model of contribution of metal foam filling on components of the superstructure of buses and coaches bending. - To incorporate into the mathematical model of structure rollover, the results obtained on components filled with metal foam, to evaluate the contribution to the energy absorption. - Validate the rollover model structure of the bus or coach filled with metal foam through tests of bay sections. The objectives in this thesis have been achieved successfully. The contribution calculation model with metal foam filling in the vehicle structure has revealed that the filling with metal foam is more efficient than increasing thickness of the beams, as demonstrated in the experimental validation of bay sections.