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.

Desarrollo de aplicaciones interactivas para la docencia de estructuras en Ingeniería Civil

Las nuevas tecnologías aplicadas a la enseñanza permiten la visualización de fenómenos físicos y su relación con la base matemática utilizada en la modelización de los mismos. En este trabajo se ha utilizado el programa Mathematica para realizar una aplicación ilustrativa del oscilador con un grado de libertad en funcionamiento libre, amortiguado y forzado armónicamente. El oscilador de 1 GL forma parte del conocimiento de base en el análisis de estructuras bajo cargas dinámicas (sismos), y la comprensión de sus fundamentos teóricos, así como la influencia de los parámetros implicados, deben ser objetivo didáctico prioritario en las asignaturas relacionadas con el cálculo avanzado de estructuras. En la aplicación desarrollada se pueden variar las características intrínsecas del oscilador (rigidez, constante de amortiguación y masa) y la fuerza aplicada (amplitud y frecuencia). El resultado se visualiza en forma de gráfico animado del movimiento permanente resultante. Las ecuaciones resultantes y los parámetros característicos (frecuencia natural, coeficiente de amortiguamiento, razón de frecuencias, factor de amplificación dinámica, ángulo de desfase…) también están disponibles de una forma interactiva. Las constantes de integración que definen las condiciones iniciales, y la ventana de tiempos mostrada pueden variarse asimismo. La aplicación puede ejecutarse desde cualquier navegador.

Numerical evaluation of the vibration reduction index for structural joints

The present paper addresses the analysis of structural vibration transmission in the presence of structural joints. The problem is tackled from a numerical point of view, analyzing some scenarios by using finite element models. The numerical results obtained making use of this process are then compared with those evaluated using the EN 12354 standard vibration reduction index concept. It is shown that, even for the simplest cases, the behavior of a structural joint is complex and evidences the frequency dependence. Comparison with results obtained by empirical formulas reveals that those of the standards cannot accurately reproduce the expected behavior, and thus indicate that alternative complementary calculation procedures are required. A simple methodology to estimate the difference between numerical and standard predictions is here proposed allowing the calculation of an adaptation term that makes both approaches converge. This term was found to be solution-dependent, and thus should be evaluated for each structure.

Estudio de la fluencia de una calcarenita: la Piedra de San Julián (Alicante)

La fluencia de las rocas tiene gran importancia en la evaluación del comportamiento a largo plazo de elementos construidos con estos materiales. En este trabajo, se ha caracterizado física y mecánicamente una calcarenita porosa bien conocida localmente como Piedra de San Julián. Se han realizado ensayos de compresión uniaxial de 96 h. a carga constante. Se ha utilizado un modelo de fluencia bien conocido, el Código-modelo CEB-FIP 2010, usado para modelizar otro material pétreo (hormigón). Además, se ha propuesto un modelo reológico. El objetivo principal de este trabajo es investigar la posibilidad de aprovechar la gran experiencia acumulada en el estudio del hormigón, con el fin de obtener un enfoque para el comportamiento de la roca, para tiempos de prueba muy largos difíciles de implementar en laboratorio. Se propone una función de fluencia adaptada a la roca estudiada dependiente sólo de sus características elásticas y mecánicas.

Barandillas de protección personal con solicitación dinámica

Las barandillas de seguridad con solicitación dinámica, tipos B y C según UNE-EN 13374, son el conjunto de componentes destinados a la protección colectiva de las personas contra las caídas a un nivel inferior y a retener materiales. Frecuentemente incorporan una red de seguridad. En este artículo se analizan aspectos fundamentales como su diseño, sus requisitos mecánicos y la solución a la problemática que suponen los soportes o puntos duros capaces de producir lesiones al accidentado. Para este fin, se ha estudiado el fenómeno de la caída de un lastre sobre tales redes con distintos modelos numéricos de elementos finitos en régimen dinámico y mediante consideraciones analíticas cinemáticas, obteniendo conclusiones útiles como la forma geométrica necesaria, la escuadría de los perfiles que constituyen el bastidor de la red, y los factores de impacto que sufren los accidentados. Ello permite sugerir mejoras al texto normativo.

On Modeling an Innovative Monitoring Network for Protecting and Managing Cultural Heritage from Risk Events

In this paper the model of an Innovative Monitoring Network involving properly connected nodes to develop an Information and Communication Technology (ICT) solution for preventive maintenance of historical centres from early warnings is proposed. It is well known that the protection of historical centres generally goes from a large-scale monitoring to a local one and it could be supported by a unique ICT solution. More in detail, the models of a virtually organized monitoring system could enable the implementation of automated analyses by presenting various alert levels. An adequate ICT solution tool would allow to define a monitoring network for a shared processing of data and results. Thus, a possible retrofit solution could be planned for pilot cases shared among the nodes of the network on the basis of a suitable procedure utilizing a retrofit catalogue. The final objective would consist in providing a model of an innovative tool to identify hazards, damages and possible retrofit solutions for historical centres, assuring an easy early warning support for stakeholders. The action could proactively target the needs and requirements of users, such as decision makers responsible for damage mitigation and safeguarding of cultural heritage assets.

Optimal model through identified frequencies of a masonry building structure with wooden floors

The paper presents the analysis of an important historical building: the Saint James Theater in the city of Corfù (Greece) actually used as the Municipality House. The building, located in the center of the city, is made of carves stones and is characterized by a stocky shape and by the presence of wooden floors. The study deals with the structural identification of such structure through the analysis of its ambient vibrations recorded by means of accelerometers with high accuracy. A full dynamic testing was developed using ambient vibrations to identify the main modal parameters and to make a non-destructive characterization of this building. The results of these dynamic tests are compared with the modal analysis of a complex finite element (FE) simulation of the structure. This analysis may present several problems and uncertainties for this stocky building. Due to the presence of wooden floors, the local modes can be highly excited and, as a consequence, the evaluation of the structural modal parameters presents some difficulties.

Caracterización de la impedancia de transferencia de materiales porosos-fibrosos usando holografía acústica de campo cercano (NAH)

En este trabajo se aplica la técnica de holografía acústica de campo cercano (NAH-Near field Acoustic Holography) para determinar la velocidad de vibración de la superficie de una capa de material absorbente que a su vez está adherido a una placa metálica circular que emula un pistón rígido. Este dato de la velocidad es necesario para predecir su impedancia de transferencia. En la experiencia propuesta, la placa metálica vibra por la acción de un actuador ubicado en su centro transmitiendo su vibración a la lámina porosa. El experimento y la técnica implementada se apoyan en la hipótesis del desacoplamiento de la parte vibratoria y la acústica de un sistema placa-poroso para determinar la eficiencia de radiación.

Method for targetless tracking subpixel in-plane movements

We present a targetless motion tracking method for detecting planar movements with subpixel accuracy. This method is based on the computation and tracking of the intersection of two nonparallel straight-line segments in the image of a moving object in a scene. The method is simple and easy to implement because no complex structures have to be detected. It has been tested and validated using a lab experiment consisting of a vibrating object that was recorded with a high-speed camera working at 1000 fps. We managed to track displacements with an accuracy of hundredths of pixel or even of thousandths of pixel in the case of tracking harmonic vibrations. The method is widely applicable because it can be used for distance measuring amplitude and frequency of vibrations with a vision system.

Coordinación vertical de las asignaturas de estructuras en el Grado de Ingeniería Civil, el Máster de Caminos, y el Máster de Materiales, Agua y Terreno

La implantación de las nuevas metodologías de enseñanza a partir de las directrices establecidas en el Espacio Europeo de Educación Superior, ha supuesto una renovación necesaria en los materiales docentes utilizados. En este sentido, el presente trabajo muestra los avances en el uso de programas informáticos para la resolución de estructuras desarrollado a lo largo de las diferentes asignaturas que conforman las titulaciones de Ingeniería Civil, el Máster de Caminos, Canales, y Puertos, así como el Máster de Ingeniería de los Materiales, Agua y Terreno de la Universidad de Alicante. De esta forma el alumno se aproxima a la realidad laboral, modelizando estructuras civiles partiendo previamente de información real de las mimas a través de visitas de campo. El uso de dichas herramientas se ha introducido de forma progresiva en las diferentes asignaturas del tal forma que el alumno se ha ido familiarizando con la resolución de estructuras a través de elementos barra, para continuar desarrollando elementos placa, modelos reológicos y análisis dinámicos de estructuras. Por ello, y con el fin de completar la educación de los alumnos, en el presente trabajo se ha tratado de aproximar al alumno a las estructuras reales y a su posterior modelización numérica.

Estudio de la influencia de la temperatura en las propiedades físicas y mecánicas de la calcarenita de San Julián

En este trabajo se muestran los resultados de una serie de ensayos de laboratorio realizados para estudiar el efecto de las altas temperaturas en las propiedades físicas y mecánicas de una calcarenita muy usada como material de construcción en edificios y monumentos históricos de la ciudad de Alicante. El objetivo es evaluar el daño térmico producido en el material al exponerlo a diferentes temperaturas y la influencia de los diferentes procesos de enfriamiento (al aire y por inmersión en agua), así como la viabilidad del diagnóstico del daño mediante métodos no destructivos (ultrasonidos). Se han utilizado probetas cilíndricas extraídas de bloques de roca sobre las que se han realizado ensayos de caracterización del material intacto obteniendo la porosidad, velocidades de propagación de las ondas P y S, módulos dinámicos y estáticos y resistencia a compresión uniaxial. El calentamiento se ha efectuado en horno eléctrico a temperaturas de entre 105 y 600ºC, en intervalos de 100ºC. Para cada temperatura (excepto 105 ºC) se han calentado diez probetas, enfriándolas posteriormente mediante dos procesos diferentes, obteniendo datos de un total de 55 probetas sometidas a diferentes condiciones de temperatura y método de enfriamiento. Finalmente, se han determinado de nuevo las propiedades de las probetas tras su calentamiento, comparando y correlacionando las diferentes variables. Las conclusiones principales destacan un acusado descenso de los valores de las propiedades medidas con la temperatura (excepto la porosidad que aumenta). Este descenso se acelera notablemente con enfriamiento por agua. Los ensayos no destructivos detectan el deterioro producido en el proceso de igual forma que los destructivos.

Propiedades físicas y mecánicas de una calcarenita: la Piedra de San Julián

En este trabajo se estudian las características físico-mecánicas de la Piedra de San Julián y su comportamiento frente a procesos de calentamiento a temperaturas similares a las alcanzadas en un incendio, así como la puesta a punto y validación de métodos dinámicos no destructivos para el dictamen del estado de desgaste del material. El enfoque está orientado a los parámetros que más interesan en la utilización de la Piedra como material de construcción. Dado que esta Tesis se realiza por compendio de artículos, por razones prácticas y necesidades de publicación, el contenido de la misma está dividido en tres grandes bloques, como son: fluencia, exposición a altas temperaturas y relación entre módulos estáticos y dinámicos. Para el estudio de la fluencia o deformabilidad a largo plazo bajo carga constante se han realizado ensayos de carga estáticos de larga duración. Por otra parte, se ha efectuado un análisis del comportamiento reológico del hormigón en las distintas normativas, especialmente en el Código Modelo FIB (2010), y se ha buscado un paralelismo entre las previsiones del Código y los resultados obtenidos en los ensayos. Al mismo tiempo se han probado varios modelos reológicos que reproduzcan de forma precisa el comportamiento de la fluencia según el Código y los ensayos. Esto ha permitido ajustar una función, adaptando las especificaciones del Código modelo, que describe la deformación en el tiempo de la Piedra de San Julián. La validez teórica de esta ecuación alcanza períodos temporales similares a los existentes para los ensayos realizados con hormigón. El modelo reológico que se ha obtenido por ajuste de todo el período anterior, consta de cuatro celdas de Kelvin y predice igualmente la deformación por fluencia de la roca. La correcta evaluación de las deformaciones a largo plazo es necesaria siempre que se estudie la intervención en edificaciones históricas, bien sea variando la distribución de cargas, o simplemente realizando obras de mantenimiento de cierto calado. La influencia de la temperatura alcanzada y del proceso de enfriamiento utilizado, se ha analizado sobre 55 muestras de roca calentando a temperaturas de hasta 600 ºC y enfriando por dos métodos: al aire y mediante inmersión en agua, ambas a temperatura ambiente. Los parámetros controlados antes y después del proceso térmico han sido: porosidades abierta y total velocidad de propagación de ondas ultrasónicas, módulo de elasticidad, coeficiente de Poisson, resistencia a compresión uniaxial (UCS) y durabilidad según el ensayo de sequedad, humedad y desmoronamiento, Slake Durability Test (SDT). Como conclusiones más notables cabe destacar: la UCS disminuye en un 35% y en un 5O% según el enfriamiento se haya realizado al aire o por inmersión, mientras que el módulo de elasticidad se reduce entre un 75% y un 80%. Las conclusiones obtenidas son importantes para la determinación del daño estructural producido en un incendio, así como para evaluar la influencia del método de extinción. Por otra parte, pueden servir para estimar indirectamente la temperatura máxima alcanzada en un incendio, de cara a la determinación de los posibles efectos sobre otros elementos constructivos. Para la relación entre módulos estáticos y dinámicos se han estudiado 24 muestras con diferentes grados de deterioro. Con los datos obtenidos en los ensayos se han analizado estadísticamente quince modelos de relación con diferentes combinaciones de variables, y se ha construido la correspondiente matriz de correlación. El coeficiente de determinación más alto corresponde a una relación lineal entre ambos módulos. La determinación del módulo de elasticidad por medios no destructivos y de fácil implementación es muy útil cuando se trata de dictaminar sobre el envejecimiento de un material estructural de este tipo. El valor del módulo con respecto al de la roca intacta es un indicador de las características resistentes y grado de debilitamiento del material. Sin embargo, el módulo bajo cargas gravitatorias -estáticas- difiere en general del obtenido dinámicamente, de una manera diferente según el material que se analice. Aquí se ha obtenido una expresión, que correlaciona con un alto valor del coeficiente de determinación ambos módulos, para la roca estudiada. Los parámetros, relaciones y modelos estudiados y propuestos en esta tesis, suponen un importante avance científico de gran utilidad para la conservación y restauración del patrimonio de edificios y otras obras de carácter histórico-cultural construidas con la Piedra de San Julián. Asimismo, las conclusiones obtenidas y los medios y métodos empleados podrán ser extrapolados a otros materiales similares con las adaptaciones oportunas.

Seguimiento de las nuevas metodologías docentes en Cálculo de Estructuras del Grado en Ingeniería Civil

Dentro de los cambios introducidos en el EEES, se incluyeron desde el curso 2011/2012 nuevas metodologías docentes en las asignaturas de Cálculo de Estructuras I y II en el Grado en Ingeniería Civil. En el caso de Cálculo de Estructuras I, se procedió a la incorporación de prácticas de laboratorio con diferentes tipologías de perfiles y materiales, de tal forma que el alumno se familiarizara con la realidad de las estructuras estudiadas en las clases de teoría. En el caso de Cálculo de Estructuras II, se procedió a la incorporación de prácticas con ordenador analizando diferentes software informáticos, de tal forma que el alumno fuera capaz de estudiar estructuras complejas. De esta manera, el objetivo principal de la RED en la que se enmarca el presente trabajo, es el seguimiento continuo y mejora de los materiales y prácticas docentes elaborados en dichas asignaturas. Por tanto, se han recogido los resultados tras los dos primeros años de docencia para analizar el efecto de los cambios metodológicos en la evaluación continua de los alumnos.

Adaptación de la docencia en el cálculo de estructuras a las nuevas tecnologías

La implantación de las nuevas metodologías de enseñanza a partir de las directrices establecidas en el Espacio Europeo de Educación Superior, ha supuesto una renovación necesaria en los materiales docentes utilizados. En este sentido, el presente artículo muestra los avances en el uso de programas informáticos para la resolución de estructuras desarrollado a lo largo de las diferentes asignaturas que conforman las titulaciones de Ingeniería Civil, el Máster de Caminos, Canales, y Puertos, así como el Máster de Ingeniería de los Materiales, Agua y Terreno de la Universidad de Alicante. De esta forma el alumno es capaz de aproximarse a la realidad laboral, pudiendo comparar los resultados analíticos resueltos de forma tradicional, con los obtenidos con software comerciales ampliamente extendidos en el campo profesional. El uso de dichas herramientas se ha introducido de forma progresiva a lo largo de todos los cursos de las titulaciones anteriormente comentadas. Inicialmente, el alumno se familiariza con la resolución de estructuras a través de elementos barra, combinando diferentes materiales y acciones. Finalmente, el alumno desarrolla elementos placa, así como modelos reológicos y análisis dinámicos de estructuras. Por este motivo, y con el fin de completar la educación de los alumnos, en el presente trabajo se ha tratado de aproximar al alumno a las estructuras reales y a su posterior modelización numérica.

Coordinación vertical de la formación en Cálculo de Estructuras dentro del Grado en Ingeniería Civil: Desarrollo de aplicaciones interactivas para la docencia

Las nuevas tecnologías aplicadas a la enseñanza permiten la visualización de fenómenos físicos y su relación con la base matemática utilizada en la modelización de los mismos. En este trabajo se ha utilizado el programa Mathematica para realizar aplicaciones ilustrativas de distintos conceptos básicos para el cálculo de estructuras de ingeniería civil y edificación. Se han tratado temas como la reología, la plastificación de los materiales, la relación entre tensiones y deformaciones de los sólidos elásticos o la dinámica estructural, siempre desde un punto de vista teórico-práctico y tratando de mantener en todo momento un carácter interactivo que permita la participación activa de los estudiantes. Cada aplicación compagina los fundamentos teóricos y la influencia de los parámetros implicados, con la visualización en forma de gráfico animado de la función resultante.