Mecánica de medios continuos y teoría de estructuras

En este capítulo se reflexiona sobre la evolución en el siglo XIX de lo que en Italia solían llamar scienza delle construzioni. En dos palabras: se trata de la aplicación de modelos de cálculo basados en la mecánica racional para determinar la seguridad de las construcciones. En este sentido, el XIX ofrece un cambio radical respecto al panorama de siglos anteriores, en los que lo fundamental era la experiencia constructiva y el proceso lento; lento tanto en la formación de técnicos como en la materialización de obras, donde la falta de herramientas de cálculo para prever comportamientos condujo en ocasiones al uso de modelos físicos a escala reducida para demostrar la seguridad de las construcciones o la factibilidad de su proceso edilicio. El capítulo se refiere exclusivamente a modelos abstractos (ni siquiera a los ensayos de laboratorio que pusieron de manifiesto nuevos fenómenos), a pesar de lo cual conviene arrancar con cuatro ejemplos reales, uno por cada cuarto de siglo que pongan de manifiesto los cambios de enfoques producidos en la construcción El primero es una celebrada estructura de madera cuya seguridad fue comprobada mediante ensayos sobre elementos a escala real. Insuperable en la elegancia de su diseño, el segundo, el viaducto de las Cabrillas (1851), fue proyectado y construido en piedra por Lucio del Valle en la cuesta de Contreras. El tercer ejemplo podría ser un puente colgante o «colgado», como se denominaban en la época, de los numerosos que se construyeron en España en la segunda mitad de siglo, pero, por su envergadura y tipología, se ha decidido escoger un caso más tardío: el viaducto del Salado, en la línea de ferrocarril Linares-Almería, proyecto de José Olano (1897) llevado a cabo por la compañía Fives-Lille. El proceso de lanzamiento por empuje hasta entroncar con el túnel del estribo izquierdo fue presenciado en enero de 1899 por un grupo de alumnos de la Escuela de Caminos encabezados por su director, Rogelio Inchaurrandieta, y diferentes profesores, entre los que se encontraban Serafín Freart, encargado de Mecánica Aplicada, y Luis Gaztelu, profesor de Puentes. Con sus pilas de alrededor de 110 m de altura y sus vanos de otro tanto, es un buen ejemplo de lo que] avier Mantero la llama «la gran invención de todo el siglo XIX: la viga en celosía, invención de tanta o mayor trascendencia que la bóveda de piedra para el arco" (Manterola, 2006. Aunque las cerchas de bronce del Panteón de Roma, debidas a Apolodoro de Damasco, o los esquemas de Palladio y las cubiertas de inglesias góticas son precursores de esta tipología (Mainstone, 1975), está laro que sólo en el siglo XIX el cálculo permitió racionalizar los diseños y alcanzar la simplicidad y efectividad que Manterola reconoce como invención. Finalmente, se hace referencia al puente de Golbardo en Santander, uno de los primeros de hormigón armado en España (1900). Este material llegará a su pleno desarrollo en el siglo XX, no sin vencer la desconfianza de sucesivas generaciones. En resumen, a los materiales clásicos, madera y piedra, se añaden en el siglo XIX los hierros y aceros, así como finalmente, el hormigón. Ello motiva una reconsideración de la tipología, de las ideas sobre seguridad estructural, sobre los métodos constructivos y sobre el cálculo que produce la gran eclosión en la representación abstracta del comportamiento de las construcciones, lo cual sólo es posible gracias al progreso de las ciencias. En este capítulo se intentará, en un primer apartado, resumir la experiencia teórica hasta que Coulomb escribe su magistral ensayo. A continuación se tratarán someramente las diferentes líneas de trabajo generadas en países extranjeros y, finalmente, se dará una visión personal de los esfuerzos llevados a cabo en España, que, aún disponiendo de centros docentes perfectamente conectados con lo que sucedía en el extranjero, no fue capaz de generar ninguna aportación original al debate internacional.

Modelo Winkler para el análisis de la respuesta dinámica de estructuras enterradas

Máster Universitario en Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería (SIANI)

Análisis de los efectos de interacción suelo-estructura en la respuesta dinámica de edificios

Máster Universitario en Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería (SIANI)

Engineering knowledge-based variance-reduction simulation and G-dominance for structural frame robust optimization

[EN] This paper proposes the incorporation of engineering knowledge through both (a) advanced state-of-the-art preference handling decision-making tools integrated in multiobjective evolutionary algorithms and (b) engineering knowledge-based variance reduction simulation as enhancing tools for the robust optimum design of structural frames taking uncertainties into consideration in the design variables.The simultaneous minimization of the constrained weight (adding structuralweight and average distribution of constraint violations) on the one hand and the standard deviation of the distribution of constraint violation on the other are handled with multiobjective optimization-based evolutionary computation in two different multiobjective algorithms. The optimum design values of the deterministic structural problem in question are proposed as a reference point (the aspiration level) in reference-point-based evolutionary multiobjective algorithms (here g-dominance is used). Results including

Application of evolutionary algorithms and the boundary element method in the optimization of noise barrier profiles

[EN]This Ph.D. thesis presents a general, robust methodology that may cover any type of 2D acoustic optimization problem. A procedure involving the coupling of Boundary Elements (BE) and Evolutionary Algorithms is proposed for systematic geometric modifications of road barriers that lead to designs with ever-increasing screening performance. Numerical simulations involving single- and multi-objective optimizations of noise barriers of varied nature are included in this document. results disclosed justify the implementation of this methodology by leading to optimal solutions of previously defined topologies that, in general, greatly outperform the acoustic efficiency of classical, widely used barrier designs normally erected near roads.

Aplicaciones de la versión p-adaptable del método de contorno en el análisis de medios continuos

Este trabajo está dedicado a la presentación y discusión de los resultados obtenidos al aplicar la versión p-adaptable del Método de los Elementos de Contorno (MEC) a problemas de elastostática bidimensional. Se describen brevemente algunos criterios básicos inherentes al desarrollo e implementación de la versión p-adaptable del MEC. Se presentan y discuten algunos ejemplos ilustrativos con singularidades producidas por cambios repentinos en la geometría y las condiciones de contorno, los cuales demuestran la potencia y veqsatilidad de la técnica p-adaptable propuesta.

Posibilidades de la ingeniería artificial en el análisis de auscultación de presas

El comportamiento estructural de las presas de embalse es difícil de predecir con precisión. Los modelos numéricos para el cálculo estructural resuelven bien las ecuaciones de la mecánica de medios continuos, pero están sujetos a una gran incertidumbre en cuanto a la caracterización de los materiales, especialmente en lo que respecta a la cimentación. Así, es difícil discernir si un estado que se aleja en cierta medida de la normalidad supone o no una situación de riesgo estructural. Por el contrario, muchas de las presas en operación cuentan con un gran número de aparatos de auscultación, que registran la evolución de diversos indicadores como los movimientos, el caudal de filtración, o la presión intersticial, entre otros. Aunque hoy en día hay muchas presas con pocos datos observados, hay una tendencia clara hacia la instalación de un mayor número de aparatos que registran el comportamiento con mayor frecuencia [1]. Como consecuencia, se tiende a disponer de un volumen creciente de datos que reflejan el comportamiento de la presa. En la actualidad, estos datos suelen tratarse con métodos estadísticos para extraer información acerca de la relación entre variables, detectar anomalías y establecer umbrales de emergencia. El modelo general más común es el denominado HST (Hydrostatic-Season-Time), que calcula la predicción de una variable determinada de una presa a partir de una serie de funciones que tienen en cuenta los factores que teóricamente más influyen en la respuesta: la carga del embalse, el efecto térmico (en función de la época del año) y un término irreversible. Puntualmente se han aplicado modelos más complejos, en algunos casos introduciendo un número mayor de variables, como la precipitación [2], y en otros con otras expresiones como la función impulso-respuesta [3]. En otros campos de la ciencia, como la medicina o las telecomunicaciones el volumen de datos es mucho mayor, lo que ha motivado el desarrollo de numerosas herramientas para su tratamiento y para el desarrollo de modelos de predicción. Algunas de ellas, como las redes neuronales, ya han sido aplicadas al caso de la auscultación de presas [4], [5] con resultados prometedores. El trabajo que se presenta es una revisión de las herramientas disponibles en los campos de la minería de datos, inteligencia artificial y estadística avanzada, potencialmente útiles para el análisis de datos de auscultación. Se describen someramente, indicando sus ventajas e inconvenientes. Se presenta además el resultado de aplicar un modelo basado en bosques aleatorios [6] para la predicción del caudal de filtración en un caso piloto. Los bosques aleatorios están basados en los árboles de decisión [7], que son modelos que dividen el conjunto de datos observados en grupos de observaciones “similares”. Posteriormente, se ajusta un modelo sencillo (típicamente lineal, o incluso un valor constante) que se aplica a los nuevos casos pertenecientes a cada grupo.

Image processing for safety assessment in Civil Engineering

Behaviour analysis of construction safety systems is of fundamental importance to avoid accidental injuries. Traditionally, measurements of dynamic actions in Civil Engineering have been done through accelerometers, but high-speed cameras and image processing techniques can play an important role in this area. Here, we propose using morphological image filtering and Hough transform on high-speed video sequence as tools for dynamic measurements on that field. The presented method is applied to obtain the trajectory and acceleration of a cylindrical ballast falling from a building and trapped by a thread net. Results show that safety recommendations given in construction codes can be potentially dangerous for workers.

Vibration frequency measurement using a local multithreshold technique

In this paper, we demonstrate the use of a video camera for measuring the frequency of small-amplitude vibration movements. The method is based on image acquisition and multilevel thresholding and it only requires a video camera with high enough acquisition rate, not being necessary the use of targets or auxiliary laser beams. Our proposal is accurate and robust. We demonstrate the technique with a pocket camera recording low-resolution videos with AVI-JPEG compression and measuring different objects that vibrate in parallel or perpendicular direction to the optical sensor. Despite the low resolution and the noise, we are able to measure the main vibration modes of a tuning fork, a loudspeaker and a bridge. Results are successfully compared with design parameters and measurements with alternative devices.

Analysis of a metallic pedestrian bridge under dynamic human loads in pre and post reinforcement phases

The purpose of this work is to study the dynamic behavior of a pedestrian bridge in Alicante, Spain. It is a very slender footbridge with vertical and horizontal vibration problems during the passage of pedestrians. Accelerations have been recorded by accelerometers installed at various locations of the bridge. Two scenarios, in free vibration (after the passage of a certain number of pedestrians on the bridge) and forced vibration produced by a fixed number of pedestrians walking on the bridge at a certain speed and frequency. In each test, the effect on the comfort of the pedestrians, the natural frequencies of vibration, the mode shapes and damping factors have been estimated. It has been found that the acceleration levels are much higher than the allowable by the Spanish standards and this should be considered in the restoration of the footbridge.

Self-sensing properties of alkali activated blast furnace slag (BFS) composites reinforced with carbon fibers

In recent years, several researchers have shown the good performance of alkali activated slag cement and concretes. Besides their good mechanical properties and durability, this type of cement is a good alternative to Portland cements if sustainability is considered. Moreover, multifunctional cement composites have been developed in the last decades for their functional applications (self-sensing, EMI shielding, self-heating, etc.). In this study, the strain and damage sensing possible application of carbon fiber reinforced alkali activated slag pastes has been evaluated. Cement pastes with 0, 0.29 and 0.58 vol % carbon fiber addition were prepared. Both carbon fiber dosages showed sensing properties. For strain sensing, function gage factors of up to 661 were calculated for compressive cycles. Furthermore, all composites with carbon fibers suffered a sudden increase in their resistivity when internal damages began, prior to any external signal of damage. Hence, this material may be suitable as strain or damage sensor.

Multifunctional cement composites strain and damage sensors applied on reinforced concrete (RC) structural elements

In this research, strain-sensing and damage-sensing functional properties of cement composites have been studied on a conventional reinforced concrete (RC) beam. Carbon nanofiber (CNFCC) and fiber (CFCC) cement composites were used as sensors on a 4 m long RC beam. Different casting conditions (in situ or attached), service location (under tension or compression) and electrical contacts (embedded or superficial) were compared. Both CNFCC and CFCC were suitable as strain sensors in reversible (elastic) sensing condition testing. CNFCC showed higher sensitivities (gage factor up to 191.8), while CFCC only reached gage factors values of 178.9 (tension) or 49.5 (compression). Furthermore, damage-sensing tests were run, increasing the applied load progressively up to the RC beam failure. In these conditions, CNFCC sensors were also strain sensitive, but no damage sensing mechanism was detected for the strain levels achieved during the tests. Hence, these cement composites could act as strain sensors, even for severe damaged structures near to their collapse.

Partial collapse of a ventilated stone façade: Diagnosis and analysis of the anchorage system

The mechanical behaviour of transventilated façades performed by natural stone is necessarily based on the correct execution of both anchoring elements on the stone cladding as in the ones corresponding to the enclosure support, either with brick masonry walls or reinforced concrete walls. In the case studied in the present work, the origin of the damages suffered on the façade of a building located in Alcoy has been analyzed, where the detachment of part of the outer enclosure occurred. This enclosure is a transventilated façade formed by Bateig Blue stone tiles. To this end, “in situ” tests of the anchoring systems employed have been performed, as well as laboratory tests of mechanical characterization of the material and of different types of anchor, comparing these results with those obtained in both the simplified analytical models of continuum mechanics as developed by the Finite Element Method (FEM).

Strain and damage sensing properties on multifunctional cement composites with CNF admixture

Both strain and damage sensing properties on carbon nanofiber cement composites (CNFCC) are reported in the present paper. Strain sensing tests were first made on the material’s elastic range. The applied loading levels have been previously calculated from mechanical strength tests. The effect of several variables on the strain-sensing function was studied, e.g. cement pastes curing age, current density, loading rate or maximum stress applied. All these parameters were discussed using the gage factor as reference. After this first set of elastic experiments, the same specimens were gradually loaded until material’s failure. At the same time both strain and resistivity were measured. The former was controlled using strain gages, and the latter using a multimeter on a four probe setup. The aim of these tests was to prove the sensitivity of these CNF composites to sense their own damage, i.e. check the possibility of fabricating structural damage sensors with CNFCC’s. All samples with different CNF dosages showed good strain-sensing capacities for curing periods of 28 days. Furthermore, a 2%CNF reinforced cement paste has been sensitive to its own structural damage.