El próximo lunes 29 de noviembre el Dr. Ing. Alfredo Arnedo, vendrá a nuestro máster a hablarnos sobre la importancia de los elementos no estructurales y su diseño frente a los terremotos. La conferencia será en el aula de la unidad docente de estructuras a las 17:30 y por TEAMs. Si no eres estudiante de nuestro máster y te interesa asistir de manera presencial o telemática mándanos un email a d.escolano@upm.es.

Resumen de la conferencia

Esta conferencia trata sobre el efecto que ejercen los terremotos en las instalaciones, equipos y elementos arquitectónicos de un edificio. Es decir, se trata de los denominados “Elementos no estructurales”.

Tanto el diseño adecuado de estos elementos como sus fijaciones a la estructura resistente del edificio son decisivos para salvaguardar vidas humanas durante un sismo ya que se debe evitar la caída de objetos pesados, impedir el bloqueo de vías de evacuación, mantener los sistemas de seguridad como iluminación de emergencia; rociadores antincendios; ventilación/suministro de aire, estanqueidad de recintos de riesgo etc.

En hospitales, escuelas, estaciones de bomberos o instalaciones industriales, sobre todo centrales nucleares, es imperativo tener en cuenta la consideración de estos elementos.

Aquí se expone un estado del arte para evaluar las acciones, determinar los esfuerzos y proyectar el anclaje de estos elementos.

En la charla se tratarán los siguientes aspectos:

• Elementos arquitectónicos, interacciones.
• Instalaciones. Posición ASCE. Posición Eurocódigo 8.
• Espectros de piso. Calificación sísmica.
• Aislamiento sísmico.
• Fijaciones y anclajes.
• Referencias.

CV Dr. Ing. Alfredo Arnedo

D. Alfredo Arnedo es doctor ingeniero con amplia experiencia en el desarrollo de proyectos, especialidad estructural y preferentemente aplicada  a ingeniería logística, portuaria, nuclear e industrial. Desde 1980  hasta 2016  profesor asociado de Estructuras Metálicas de ETSICCP de Barcelona UPC.  Miembro del Comité Europeo CEN/TC 135 de Ejecución de Estructuras Metálicas y Miembro de los Comités Españoles de Eurocódigo 3 y Eurocódigo 1. Contacto Técnico Nacional (CTN) de la parte 1.3 (UNE-EN1993-1-3) dedicada a estructuras ligeras (perfiles conformados en frío). Miembro de la comisión redactora de la  Instrucción de Estructuras de Acero de España EAE. Miembro del comité nacional CTN140/SC1 y delegado español del comité internacional  ISO/TC98/SC3/WG9 y  ISO/TC98/SC3/WG4 elaboración la última  versión de ISO3010  “Basis for design Structures-Seismic actions on structures” e ISO 10252 “Accidental Actions” respectivamente. Miembro del comité ISO/TC98/SC3/WG 11 para la revisión en curso  de ISO 13033 “Seismic actions on Non Structural components for building applications”. Miembro del comité nacional CTN 023/SC 08 «INGENIERÍA DE SEGURIDAD CONTRA INCENDIOS». Ponente de la  Guía de Protección Anti-incendios. (Parte de Estructuras de Acero). Dirección de Protección Civil. Generalitat de Catalunya. 2003. Autor del libro “Naves Industriales con acero “. APTA, 2009.

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Shaking conTEST workshop está destinado a todos los estudiantes de la Universidad Politécnica de Madrid y profesionales que quieran obtener una visión global del comportamiento de estructuras con disipadores de energía. El catedrático Amadeo Benavent-Climent nos presentará una charla titulada:

«Proyecto de estructuras con disipadores».

Amadeo Benavent-Climent

Y además realizaremos en directo un ensayo destructivo de la estructura ganadora del concurso Shaking conTEST con la mesa sísmica de la la mesa sísmica de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales.

Para asistir tanto de manera presencial como online rellena el formulario de abajo.

Las primeras 20 personas que los soliciten pueden venir de manera presencial a la charla y al ensayo en la cátedra de Estructuras del departamento de Ingeniería Mecánica en la ETSII. El resto podrá asistir al evento online a través del TEAMS. El enlace para la reunión se enviará una vez se hayan registrado en el evento.

Programa

Para solicitar más información pueden contactar con d.escolano@upm.es

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Failure is central to engineering. Every single calculation that an engineer makes is a failure calculation. Successful engineering is all about understanding how things break or fail

Henry Petroski.

Probablemente la cuestión más importante en ingeniería es saber cómo se rompen las cosas y para eso es fundamental experimentar. La formación actual en ingeniería se basa en conocer e imitar modelos existentes dejando poco espacio para la creatividad y la creación de nuevas soluciones. Por otro lado la realidad actual permanentemente cambiante exige de los ingenieros adaptabilidad para afrontar problemas que ni siquiera hoy existen y para los cuales aún no hay un modelo de respuesta que imitar. Por tanto es fundamental formar a los estudiantes en el pensamiento creativo.    

Desde las unidades docentes participantes en el proyecto, entendemos que es necesario proporcionar al estudiantado nuevos espacios de creación y este proyecto de innovación educativa pretende generar uno a partir de una iniciativa de aprendizaje basada en retos. “El aprendizaje basado en retos (ABR) es un enfoque multidisciplinar para enseñar y aprender que anima a los estudiantes a emplear la tecnología que usan en su día a día para resolver problemas de la vida real. ABR es colaborativo y para aprender haciendo, proponiendo a los estudiantes que trabajen con sus compañeros, profesores y expertos de su comunidad y alrededor del mundo para preguntar cuestiones interesantes, desarrollar un conocimiento profundo del área de conocimiento, aceptar y resolver retos, tomar acción, y compartir su experiencia.” (Apple, 2008). A través de un workshop/concurso de prototipado y ensayo de estructuras frente a terremotos este PIE se centra en el diseño y desarrollo de una competición de ingeniería en torno a la idea contemporánea de resiliencia de las estructuras. La cuestión a responder será: ¿Cómo hacer una estructura con mejor comportamiento frente a los terremotos?. Todo ello a través del reto de diseñar y construir un modelo de una estructura que será ensayada en la mesa sísmica de la ETSII. Durante el diseño y ejecución de sus proyectos los estudiantes tendrán que decidir además de la forma, qué material usar (de los disponibles) y cómo emplearlo en sus modelos. Cada grupo de estudiantes tendrá que diseñar una estructura con los mismo materiales:

• Clips de acero inox x20
• Palos de madera x100
• Gomas elásticas x20
• Botella de coca-cola 2l x1
• Cola de carpintero 1 bote
• 1 sensor acelerómetro MEMS de bajo coste y desechable

El ganador se decidirá de la valoración ponderada dada por un tribunal de expertos del área (academia e industria) que valorará tanto la originalidad de las soluciones como su comportamiento estructural.

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Nichols, M., & Cator, K. (2008). Challenge Based Learning. White Paper. Cupertino, California: Apple.

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Presentación de Eva Oller Ibars en el Máster en Ingeniería Sísmica-ETSII UPM

En este post se presenta un resumen de la conferencia que la Dra. Eva Oller Ibars, profesora del Departamento de Ingeniería civil y ambiental de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), realizó en el Máster en Ingeniería Sísmica, dinámica de suelos y estructuras sobre el refuerzo de estructuras de hormigón con polímeros reforzados con fibras (FPR) y la experiencia de sus aplicaciones realizadas en la UPC BarcelonaTech.

Los polímeros reforzados con fibras (FRP) son una combinación de dos o más constituyentes que difieren en forma o composición. Los constituyentes se combinan a nivel macroscópico y no son solubles entre ellos. Uno de ellos se denomina fase de refuerzo y el otro en el cual está embebido matriz. Además, las propiedades de los constituyentes por separado no son iguales a las propiedades del conjunto.

El origen de los FRP puede encontrarse en la industria aeronáutica y militar y también en la industria deportiva (bicicletas, raquetas de tenis, bates de béisbol, esquí, náutica, surf, automovilismo, motociclismo).

Con relación a las propiedades mecánicas de los FRP se señalóque las láminas conforman un conjunto de fibras unidireccionales embebidas en una matriz (usualmente 40-60% de fibras Vf). En su dirección longitudinal, la resistencia y rigidez de las fibras son muy superiores a la resina y en su dirección transversal, la resistencia y rigidez de las fibras son prácticamente nulas. Su comportamiento es s-e lineal hasta rotura.

Entre las ventajas de los FRP se observó que la relación resistencia /peso y rigidez /peso es elevada en comparación con la de otros materiales convencionales (acero y hormigón). Además, implican un ahorro en medios auxiliares, tienen una excelente durabilidad y requieren bajo mantenimiento. También se destacan por su taylorability (fabricación “a medida”) y por necesitar una cuarta parte de la energía necesaria para fabricar acero (Sostenibilidad)

Por otra parte, entre los inconvenientes se mencionaron la fragilidad, la dificultad de uniones, la resistencia al fuego, a actos vandálicos y daños accidentales si no está protegido, la dependencia de mano de obra cualificada y el coste, por ejemplo, el Grafito/Epoxi tiene un coste de entre 650 a 900 euros por kg. Sin embargo, habría que comparar el coste completo teniendo en cuenta el ahorro en medios auxiliares.

Con relación a los tipos de refuerzo con FRP se indicaron los siguientes:

• El FRP refuerzo exterior (EBR, externally bonded reinforcement)
  • laminado in situ (refuerzo a flexión, cortante, confinamiento)
  • laminado prefabricado (refuerzo a flexión, cortante)

• El FRP como refuerzo NSM (near surface mounted reinforcement)
  • laminado FRP prefabricado
  • barra de pequeño diámetro

Refuerzo mediante laminados polímeros reforzados con fibras (FRP). Fuente: Oller Ibares (2019)

A su vez, en su conferencia, la Dra. Eva Ollers Ibar describió en detalle los siguientes tipos de FRP refuerzo externo (EBR) o Near Surface mounted (NSM):

• el refuerzo a flexión,
• el refuerzo a cortante
• el confinamiento de pilares con laminado in situ (EBR)

Refuerzo mediante laminados polímeros reforzados con fibras (FRP). Fuente: Oller Ibares (2019)

Con respecto al Refuerzo a flexión de elementos armados o pretensados con laminado pasivo o activo con laminado in situ (EBR) o prefabricado (EBR, NSM) se describieron a su vez:

1. El FRP pasivo (no pretensado). En relación a este tipo de refuerzo se describió también su comportamiento instantáneo, sus aplicaciones y la problemática del desprendimiento prematuro del FRP, la fisuración y deformabilidad. Asimismo, se analizó su comportamiento diferido (flechas diferidas y evolución adherencia con el tiempo). Además, se desarrolló un análisis mediante un modelo de análisis no lineal evolutivo en el tiempo que permite evaluar adecuadamente el comportamiento de la estructura antes y después de la aplicación del refuerzo para diseñar de forma adecuada y eficiente la solución.

2. El FRP activo (pretensado). Con respecto a este tipo de refuerzo se destacó que no existe suficiente experimentación sobre FRP pretensado como refuerzo de estructuras de hormigón armado o pretensado. En efecto, en la bibliografía pueden identificarse sólo ocho campañas experimentales (siete sobre refuerzo FRP EBR pretensado y una sobre refuerzo FRP NSM pretensado). Entre las ventajas del FRP refuerzo externo o NSM activo se incluyen que mejora el estado en servicio reduciendo las deformaciones estructurales, retrasa la aparición de fisuras, así como reduce su ancho, disminuye las tensiones resistidas por el acero, permite un uso más eficiente del hormigón y del FRP y reduce el riesgo de desprendimiento prematuro del laminado. Asimismo, las desventajas del FRP pretensado incluyen el requerimiento de técnicas de ejecución más complejas y costosas, la necesidad de dispositivos de anclaje en los extremos o sistemas auxiliares, la falta de experiencia a largo plazo y de un marco normativo comúnmente aceptado.

En relación al refuerzo a cortante de elementos armados o pretensados con laminado in situ (EBR) o prefabricado (NSM) se discutieron los siguientes puntos:

1.  Las configuraciones (wrapped, U, side bonded)

2. La problemática del desprendimiento prematuro del refuerzo en U, S

3. La contribución FRP resistencia a cortante

4. La modelización numérica mediante análisis no lineal evolutivo con deformación por cortante

También se describió la campaña experimental en UPC sobre vigas de hormigón armado sección en T reforzadas a cortante EBR FRP (20 ensayos). Además, se mencionó la campaña experimental para estudiar el efecto tamaño de elementos de hormigón armado. En relación con esto, el programa experimental se refiere a vigas de canto 1m, 1.5 m y 2 m que se ensayan a cortante bajo carga puntual, se reforzarán con FRP y SMA y se ensayarán hasta rotura. Por otra parte, la Dra. Eva Ollers Ibar también se refirió a las aleaciones con memoria de forma (shape memory alloys, SMA) y a sus aplicaciones en estructuras de hormigón como:

1. Armadura en elementos de hormigón armado

2. Tendones de pretensado

3. Conectores

4. Arriostramientos

5. Amortiguadores y aisladores

6. SMA FRP compuesto híbrido

En cuanto al FRP refuerzo EBR a confinamiento se mencionó que activa el estado multiaxial de tensiones, aumenta la resistencia del hormigón confinado (aumenta la capacidad resistente a axil y la resistencia a cortante) y resiste la expansión lateral. También, resulta más eficiente en columnas circulares que de planta rectangular. Asimismo, se deforma elásticamente hasta tensiones elevadas, ejerce una acción de confinamiento hasta que rompen las fibras.

Por otra parte, la conferencia también incluyó el refuerzo con FRP frente a sismo como una medida efectiva para aumentar la ductilidad y la capacidad de deformación, evitando modos de fallo prematuros en elementos que no tienen detalles o disposiciones frente sismo. En relación con esto, el FRP jacketing se considera como una intervención local (evita fallo a cortante sin afectar la rigidez global que controla la demanda sísmica).

Si es necesario reducir la demanda, la solución de refuerzo puede incluir medidas globales que aumenten la rigidez de la estructura tales como añadir refuerzo longitudinal con FRP (NSM o EBR), el RC jacketing de algunas de las columnas, añadir muros de corte de hormigón armado, cruces de acero o relleno a los muros de mampostería. Asimismo, es posible combinar estas medidas globales con FRP.

Por último, se describió el tratamiento normativo del refuerzo con FRP. En la conferencia se pueden consultar más detalles sobre cada uno de los puntos mencionados.

Referencias

Ollar Ibares, Eva (2019). Refuerzo de estructuras de hormigón con FRP. Experiencias en UPC BarcelonaTech. [Diapositivas en Power Point]

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Ponencia del Msc. Julio Rodríguez-Sánchez en el Máster en Ingeniería Sísmica – ETSII-UPM

El 19 de noviembre de 2019, el Msc. Julio Rodríguez-Sánchez estuvo presentando en el Máster en Ingeniería Sísmica: dinámica de suelos y estructuras de la UPM un nuevo enfoque para el diseño sísmico de estructuras subterráneas.

Una estructura subterránea es un elemento estructural que desarrolla algún tipo de interacción estructura-suelo. Por lo tanto, las estructuras subterráneas son mucho más que túneles, estaciones subterráneas, pozos, cavernas y aberturas subterráneas. Un edificio que tiene una parte enterrada puede considerarse una estructura subterránea. La regla de oro en este caso es la siguiente: si se requieren propiedades del suelo más allá de la presión permitida para evaluar el diseño de una estructura, se puede considerar como subterránea.

Los ingenieros geotécnicos y estructurales deben trabajar juntos a fin de lograr un diseño adecuado para una estructura subterránea.

Las estructuras subterráneas son menos vulnerables a los terremotos que las estructuras aéreas. Sin embargo, las consecuencias de su falla son, en general, mucho más significativas especialmente en las zonas urbanas. Además, durante los terremotos, se comportan de manera diferente a las estructuras no subterráneas , ya que las fuerzas de inercia no juegan el papel principal. Las estructuras subterráneas dependen estrictamente de los desplazamientos del suelo durante los terremotos: oscilan aproximadamente con el desplazamiento sísmico («los terremotos ponen la música y las estructuras subterráneas siguen el baile»). En general, la dinámica del suelo gobierna el diseño, pero la estructura juega un papel importante que debe estudiarse cuidadosamente. Las estructuras subterráneas son a menudo de vital importancia e imposibles de reparar o desmantelar. Por lo tanto, su diseño debe ser muy confiable.

El comportamiento sísmico de las estructuras subterráneas se aproxima primordialmente mediante fuerzas (force-based methods) o mediante desplazamientos (dispalcement-based methods), que dependen de las condiciones del suelo y de la fuerza sísmica. Los procedimientos de diseño más simplificados se basan principalmente en un parámetro característico de la excitación sísmica: aceleración, desplazamiento, etc. Esto ignora aspectos muy importantes del terremoto, como por ejemplo la duración. Las leyes de fuerzas o desplazamientos simplificadas solo son válidas para geometrías simples, como formas circulares o en forma de caja. Por lo tanto, los métodos de diseño simplificados no tienen en cuenta las propiedades variables en el tiempo de los terremotos y los sistemas mecánicos durante la excitación sísmica: pseudostatic analysis.

¿Cuándo usar los métodos de diseño aproximado? Los procedimientos de diseño simplificado deben usarse con precaución cuando se cumplen las hipótesis adoptadas. Existe evidencia empírica de que no son adecuados para grandes terremotos y una geometría estructural compleja (Geraili Mikola y Sitar, 2013; Tsinidisand Pitilakis, 2015).

En la Figura 2 se presenta el esquema que resume un nuevo enfoque con la actualización de las metodologías de diseño sísmico de estructuras subterráneas.

Figura 2. Metodología actualizada para el diseño sísmico de estructuras subterráneas. Fuente: Rodríguez-Sánchez (2019).

El método propuesto consiste en los siguientes pasos:

• Determinación de la fuerza sísmica
• Desarrollo de un modelo geotécnico para simulación numérica.
• Deconvolution of spectrally-matched acceleration time series to the target spectrum.
• Simulación de la propagación de ondas e interacción estructura-suelo

Se pueden consultar más detalle sobre cada uno de los pasos en Rodríguez-Sánchez (2019).

Este enfoque metodológico fue implementado en el diseño sísmico de la Estación Gambetta en la línea L4 del Metro de Lima. El diseño de la estación Gambetta es el más problemático para la línea L4 del Metro de Lima. Los suelos no son tan buenos (aunque Lima tiene un suelo extremadamente bueno, en general), el nivel freático es alto. Por tanto, la estación requiere desagüe. La fuerza sísmica es elevada debido a la ubicación de la estación, muy cerca de la costa. Con la implementación de la metodología previa para el diseño se logran ahorros de alrededor del 20% en costos de materiales con respecto al diseño basado en métodos simplificados.

En conclusión, el diseño sísmico de estructuras subterráneas es un problema muy importante en la ingeniería hoy en día. Los métodos de diseños aproximados se basan principalmente en simplificaciones, que en la mayoría de los casos no son aplicables. Por esto, resulta relevante destacar la existencia de procedimientos más sofisticados para emprender el diseño sísmico de estructuras subterráneas.

Referencias

Rodríguez-Sánchez, J. (2019). “A new approach to seismic design of underground structures” [Diapositivas de Power Point].

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