oriol arnau delgado - instituto de ingenieria unam · (1999 –2002) ingeniería mecánica...

Oriol Arnau Delgado

por

Beca Post-Doctoral “Emilio Rosenblueth”

20 de Mayo de 2014

Ingeniería Mecánica(1999 – 2002)

Ingeniería IndustrialEspecialidad en Construcción y Estructuras

(2002 – 2005)

Ingeniero EstructuralDiseño de estructuras

(2004 – 2006)

Investigador en Ingeniería Estructural(2006 – 2012)

Tesis Doctoral: Structural Response of Precast Concrete Segmental Tunnel Linings

Profesor asistente

Investigador visitante

Nacido en Terrassa (Catalunya)(1981)

Grupo de proyectos de edificación

Daños en edificios de mampostería causados por asientos diferenciales derivados de la tunelación.

Hormigón Reforzado con Fibras de Acero (HRFA)

Análisis y Comprensión de Respuestas Estructurales mediante Métodos Numéricos

OriolPresentación

Índice

o Introducción

o Respuesta estructural de revestimientos de túneles a base de dovelas de concreto

o Retos Instituto de Ingeniería

• Casa Colorada

• C.C.U. Tlatelolco

• Respuesta cíclica HRFA


ÍndicePresentación

Ingeniería Civil

Múltiples Condiciones particulares

Difícil estandarizar solución

COMPRENDER

Regala un pescado a un hombre y le darás alimento para un día,

enséñale a pescar y lo alimentarás para el resto de su vida.

(Proverbio Chino)

• Fenómenos

• Mecanismos

• Herramientas

• Técnicas

• Procedimientos

CONOCIMIENTO

Obtener solución particular adecuada


MotivaciónIntroducción

Dificultad análisis global

Como? Cuanto?



Interacciones

…..

Combinación materiales

No linealidad

Realidad

ComplejidadRespuesta Real

Modelos de simulación numérica

Interacciones

…..


No linealidad

Integración Respuesta





Interacciones

…..


No linealidad

Integración

Variabilidad y Repetitividad

Análisiscondicionantes

COMPRENSIÓN

Modelos de simulación numérica

Respuesta

Datos varios del sistema

Software


PrecaucionesIntroducción

Datos varios del sistema

Software

Los programas calculan la situación que nosotros definimos en base a sus algoritmos

Vital

o Conocer / Tener evidencias de los Mecanismos y Fenómenos condicionantes.

o Saber como operan los algoritmos del programa.

o Cuestionar siempre los resultados obtenidos.


PrecaucionesIntroducción

Structural Response of Precast Concrete Segmental Tunnel Linings

Parte IIPresentación

Parte II

Tesis Doctoral

Packers

Juntas Longitudinales

Juntas Circunferenciales

TBM Gatos hidráulicos TBM Escudo

Respuesta Estructural

Compleja

• Estructura 3D Múlti-Rótula

• Interacción Suelo-Estructura

• Particular proceso constructivo


MotivacionesIntroducción

Packers

Juntas Longitudinales

Juntas Circunferenciales

TBM Gatos hidráulicos TBM Escudo

Sencillos modelos de predicción

Desconocimiento de ciertos fenómenos y mecanismos

Dificultad de reproducir algunos de los conocidos

Práctica común en diseño



Kr Kt

Aproximaciones comunes para el diseño estructural

Anillo rígido

24

·e jI I In

Anillo rígidoMuir-Wood Modelo de

lecho elástico

Modelos 2D simplificados

Determinar las tensiones internas

Muir-Wood (1975)

Sencillos modelos de predicción

Desconocimiento de ciertos fenómenos y mecanismos

Dificultad de reproducir algunos de los conocidos



• Avanzar en el conocimiento de la respuesta estructural de los revestimientos de túnel realizados con dovelas.

La mejora y optimización de los revestimientos de dovelas requiere:

Objetivos Principales

• Definir estrategias de simulación numérica para poder simularlos adecuadamente.


MotivacionesObjetivos y limitaciones

Circumferential bending

moment (kN·m/ml)

150

75

0

-100

-200

Simulación numérica ensayo “in situ”

3D & 2DAnillo aislado

Análisis proceso constructivo

Modelo 3D Múlti-anillo

Ensayo “in situ” L9

Diseño yEjecución

Análisis yConclusiones

Respuesta estructural 3D

Cargas diseño Cargas localizadas

12

Ground

3 12

Ground

4

12

Fg,1

n-1 1n-2

GroundFg,n-2

n

Fg,n Fg,n-1

Fg,1Fg,2

Fg,1

3

GroundFresh Grout

Stiffened Grout


MotivacionesPlanteamiento

Granodiorite Rock Formation3

2m

• 15 rings

• 60 kg/m3 steel fibers

• No Reinforcement bars

To Can PeixeuetStation

To Santa Rosa Station


Ensayo “in situ” L9Tramo Experimental

Granodiorite

rock formation

F FF

24°24°

Fmax = 1500 kN/Force



Hydraulic Flat Jack

Steel Plate

Mortar

Grout

Ground

F

Segment


Ensayo “in situ” L9Tramo experimental

Total amount of sensors: 204

Internal instruments

• Extensometers (150)

• Load Cells (18)

External instruments

• Vertical displacement transducers (7)

• Joint Transducers (44)


Ensayo “in situ” L9Tramo experimental

K

C A4

A5

A1

A2

A3

B

FL FGR

FGR

FGR

FGR

FGR

FGR

FGR

FGR

Zona de Arco

Zona de reacción

Zona de reacción

• Posición Juntas

• Rigidez del Terreno


Ensayo “in situ” L9Resultados

Interacción tangential Suelo-Estructura

Fuerzas compresivas del revestimiento son transferidas al terreno envolvente



3· ·(1 )

St

EK

R υ

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4mm

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600kN

1839-1840 R 1836-1837 R 1837-1838 R

1838-1839 R Jack 1 Force Jack 2 Force

En roca, no hay contribución de los anillos adyacentes

Desplazamientos radiales solo en los bordes del anillo cargado

Cro

wn

join

ts r

elat

ive

dis

pla

cem

ent

Time

Hyd

rau

lic J

ack

Forc

e



Buscar e Investigar técnicas de modelización que nos permitieran reproducir cada uno de ls principales fenómenos

Integrarlos en modelos de simulación 2D y 3D del anillo aislado

Estrategia

Objectivos

Reproducir el ensayo “in situ” a fin de:

• Validar las hipótesis y tecnicas de modelización adoptadas

• Determinar la precision alcanzable mediante los modelos EF


Simulación ensayo “in situ”Introducción

Respuesta Juntas:Física y Material

Interacción Suelo-Estructura

Respuesta Post-Fisuración HRFA


Simulación ensayo “in situ”Filosofía

Diana V9. Smeared crack approach

0

10000

20000

30000

40000

50000

0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5

To

tal L

oa

d (N

)

Vertical Displacement δ (mm)

Experimental

Shell model

Plane stress model

σ

ω

fct

σrc

A B

Sloped-Constant


Simulación ensayo “in situ”Modelo HRFA

Kr

Kt

Kr

Kt

KrKrKrKrKr

KtKtKtKtKt

Interfaceelements

Plane stresselements

Spring elements

KrKt

Spring elements

Shell Interfaceelements

Curved Shellelements

Grout

Ground

Segment

Kr

Kt

KrKrKrKrKr

KtKtKtKtKt

Interface

elements

Plane stress

elements

Spring elements

Kt

KrKt

Spring elements

Shell Interface

elements

Curved Shell

elements

•Radial springs Kr

• Tangential springs Kt

NL Interface elements(Gapping in tension)

Plane stress Shell elements


Simulación ensayo “in situ”Interacción suelo-estructura

Longitudinal Joints Packer

Bituminous sheet, thickness 2mm

Unknown behavior

Characterization: Compression cyclic load test

Nonlinear hyperelastic response with significant remaining deformations

Von Mises plasticity Plasticity hardening diagramModeling:

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-0.8-0.6-0.4-0.20

Unitary Strain

Co

mp

ress

ion

Str

ess

(N

/mm

2)

Experimental

Model

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-0.8-0.6-0.4-0.20

Unitary Deformation

Co

mp

ress

ion

Str

ess

(N

/mm

2)

Experimental

Model


Simulación ensayo “in situ”Packer

Interface elements No tensile stiffness

Blom (2002)

Segment 1 Segment 2

Packer elements

Interface elements

0

20

40

60

80

100

120

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008

Ben

din

g m

om

en

t (k

N·m

/m)

Joint rotation (rad)

525 kN/m (σc=1.5 Mpa)

1050 kN/m (σc=3 Mpa)

Blom et al. (1999)Plizzari and Tiberti (2006)Mo and Chen (2008)


Simulación ensayo “in situ”Juntas no-lineales

3D Shell 2D Tensión plana

Diana V9


Simulación ensayo “in situ”Modelos Numéricos

-4,5

-4

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

0 90 180 270 360

Ra

dia

l Dip

lacem

en

t (m

m)

Position Angle (β)

Stage 7 Loaded

Shell back side

Shell front side

Plane Stress

Rad

ial

dis

pla

cem

ent

(mm

)-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

0 90 180 270 360

Ra

dia

l Dip

lacem

en

t (m

m)

Position Angle (β)

Stage 5 Loaded

Shell back side

Shell front side

Plane Stress

Rad

ial

dis

pla

cem

ent

(mm

)

β

1500 kN 1500 kN

2.627(measured)

3.076(measured)

Stage 5

β

1500 kN

Stage 7


Simulación ensayo “in situ”Desplazamientos

-0,40

-0,35

-0,30

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0 300 600 900 1200 1500

Join

t C

losu

re (

mm

)

Jack Load (kN)

Plane stress model 54º

Experimental T1

Experimental T2

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0 300 600 900 1200 1500

Join

t C

losu

re (

mm

)

Jack Load (kN)

Plane stress model 102º

Experimental T1

Experimental T2

β

1500 kN1500 kN

Stage 5 / Joint 54 º

54º joint

β

1500 kN

Stage 6 / Joint 102º

102º joint


Simulación ensayo “in situ”Giros de Juntas

A2A3

Front

Back

A2 A3

• Fisuración Longitudinal Tensiones de flexión

• Circunferencial y radial Redistribución de tensiones de las cargas localizadas

Resultados satisfactorios


Simulación ensayo “in situ”Patrones de Fisuración

?

Interacción entre anillos adyacentes

Respuesta anillo aislado

Respuesta tubo rígido

Respuesta Real


Respuesta Longitudinal3D

Respuesta Friccional

FR,B FR,BFR,B

p

P

FR,B FR,B FR,BFR,B

p

P

F F

FF

Deslizamiento


Respuesta LongitudinalJunta Circunferencial

Respuesta 3D


moment (kN·m/ml)

150

75

0

-100

-200

Cargas de diseño Cargas localizadas


Respuesta 3DAnálisis

Respuesta 3D


moment (kN·m/ml)

150

75

0

-100

-200

Cargas localizadas



Cargas de diseño

Desplazamientos radiales relativos que puden activar mecanismos de interacción



FGR

FGR

Zonas reacción

Arco

Parámetros Involucrados

Rigidez del terreno

Desequilibrio de presiones

Fuerza Longitudinal

Pv,top

Ph,side

Pv,top

Ph,side

Aquellos que influencian la deformación



h

= 1

5 m

dh

=

10

mw

Ø

= 1

1.6

me

WT

= 18 kN/m

= 20 kN/m

= 10 kN/m

3

3

3w

sw

s

Ps1Ps2

Pw1Pw2 Ps3 Pw3

Ps4 Pw4

Pw5 Pw6

Base situation


Respuesta 3DCaso de Estudio

Ps1Ps2

Pw1Pw2 Ps3 Pw3

Ps4 Pw4

Pw5 Pw6

Pv,top

Ph,side

Property Values

Ground modulus of elasticity, Es (N/mm2) 25-50-75-100-125-150

Lateral earth pressure, K0 0.2-0.3-0.4-0.5-0.6

Correspondent ovalization load, OVL (%) 48.2-39.1-30-20.8-11.7

Longitudinal force, N (MN) 40, 32, 24, 16, 8, 4

Total amount of cases 180

Estudio Paramétrico



Efectos de Acoplamiento

Reducción deformaciones

Uncoupled ringsCoupled (Fl=40MN)

Incremento tensiones de flexión

Incrementan la rigidez

Es = 25 MPaK0 = 0.5


Respuesta 3DResultados

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Min

imum

circum

fere

ntial b

end

ing

m

om

ent (k

N·m

/m)

Longitudinal Force (MN)

Es=50Mpa, K0=0.2 Es=50Mpa, K0=0.5

Es=50Mpa, K0=0.3 Es=50Mpa, K0=0.6

Es=50Mpa, K0=0.4

Anillo Aislado

Es = 50 MPa

Ce

ntr

al rin

g



-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Min

imum

circum

fere

ntial b

end

ing

m

om

ent (k

N·m

/m)


Es=50Mpa, K0=0.2 Es=50Mpa, K0=0.5

Es=50Mpa, K0=0.3 Es=50Mpa, K0=0.6

Es=50Mpa, K0=0.4

Anillo Aislado

Es = 50 MPa

Solo es necesaria una pequeña fuerza longitudinal para producir acoplamiento

Ce

ntr

al rin

g



-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Min

imum

circum

fere

ntial b

end

ing

m

om

ent (k

N·m

/m)


Es=50Mpa, K0=0.2 Es=50Mpa, K0=0.5

Es=50Mpa, K0=0.3 Es=50Mpa, K0=0.6

Es=50Mpa, K0=0.4

Isolated ring results

Es = 50 MPa


La magnitud de la fuerza, no condiciona la respuesta estructural…….

Ce

ntr

al rin

g



-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Min

imum

circum

fere

ntial b

end

ing

m

om

ent (k

N·m

/m)


Es=50Mpa, K0=0.2 Es=50Mpa, K0=0.5

Es=50Mpa, K0=0.3 Es=50Mpa, K0=0.6

Es=50Mpa, K0=0.4

Isolated ring results


La magnitud de la fuerza, no condiciona la respuesta estructural…….

Excepto en condiciones extremas de terreno blando y carga desequilibrada

Es = 50 MPa

Ce

ntr

al rin

g



0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 20 40 60 80 100

Ovaliz

atio

n lo

ad

Ground Stif fness (MPa)

Limit zone N=40MN

Limit Zone N=4MN

Coupling influence zone

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0 50 100 150 200 250

Ovaliz

atio

n lo

ad

Ground Stif fness (MPa)

Limit zone N=40MN

Limit Zone N=4MN

Coupling influence zone

Deformación Tensiones

Zona de influencia acoplamiento Variaciones >10% respecto anillo aislado

Acoplamiento solo es significativo cuando:

• Condiciones de terreno blando (debajo de Es=150MPa en el caso analizado)

• Sometido a cargas altamente desequilibradas



Cargas de diseño

Respuesta 3D


moment (kN·m/ml)

150

75

0

-100

-200

Cargas localizadas



Ground Stiffness, Es (N/mm2)

Soft (SF) 100

Medium (ME) 1000

Hard (HD) 10000

Longitudinal Pre-compression, σc,l(MPa) :

1 - 2.5 - 3.5 - 5

Total amount of cases: 12

Higher range of ground stiffness

5m

Estudio Paramétrico

Localized pressures: 0 – 2 N/mm2




moment (kN·m/ml)

150

75

0

-100

-200


moment (kN·m/ml)

400

200

0

-275

-550

Hard (HD)Es = 10.000 MPa

Soft (SF)Es = 100 MPa

Localized pressure of 1 N/mm2

Respuesta quasi-individual en rocaSignificativos esfuerzos de

flexión en anillos adyacentesEn consonancia con el ensayo “in situ”




moment (kN·m/ml)

150

75

0

-100

-200


moment (kN·m/ml)

400

200

0

-275

-550

Mayor es la interacción estructural entre anillos

Hard (HD)Es = 10.000 MPa

Soft (SF)Es = 100 MPa

Localized pressure of 1 N/mm2

Cuanto mas blando es el terreno envolvente



Adjacent rings vertical ovalization

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Ad

jace

nt ri

ngs

ver

tica

l oval

izat

ion (

%)

Localized Pressure (N/mm2)

HD-1 MPa ME-1 MPa SF-1 MPa

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Ad

jace

nt

rin

gs

ver

tica

l o

val

izat

ion

(%

)


HD-2.5 MPa ME-2.5 MPa SF-2.5 MPa

Pre-compression 1 N/mm2 Pre-compression 2.5 N/mm2

FL

OVAA1OVA

OVAA2

1 2 (%)2

A AOVA OVA

OVA




0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Ad

jace

nt ri

ngs

ver

tica

l oval

izat

ion (

%)



0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Ad

jace

nt

rin

gs

ver

tica

l o

val

izat

ion

(%

)




El grado de interacción entre anillos

Depende exclusivamente de la rigidez del terreno




0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Ad

jace

nt ri

ngs

ver

tica

l oval

izat

ion (

%)



0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Ad

jace

nt

rin

gs

ver

tica

l o

val

izat

ion

(%

)



Presión para producir el deslizamiento entre anillos

Depende de la fuerza longitudinal existente




El grado de interacción entre anillos

Depende exclusivamente de la rigidez del terreno

Tensión principal en la clave

ME ground

Resistencia a traccióndel hormigón

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Pri

nci

pal

str

ess

at t

un

nel

cr

ow

n in

trad

os

(N/m

m2)


ME-Isolated

ME-1 MPa

ME-2.5 MPa

Compresión longitudinal

Capacidad resistente de la estructura frente a cargas localizadas

0.46 0.710.19




TesisPublicaciones

Parte IIIPresentación

Parte III


Aparición de daños en la conexión Túnel-Lumbrera


Casa ColoradaRetos

Daños observados

• Riesgos?

• Mecanismo que lo ha ocasionado?

• Hay más que no vemos?

• Posibles soluciones?

• ….


Casa ColoradaRetos

+11.0 cm

+3.3 cm

+16.6 cm

Asientos diferenciales


Casa ColoradaRetos

Daños observados


Casa ColoradaRetos

Complejidad respuesta real

• Interacción entre distintos elementos estructurales

• Respuesta no-lineal material por fractura

• Estructuras compuestas Acero-Concreto (túnel)

• Interacción con elementos con finalidades geotécnicas

• ….

Simulación numérica

Lineal material con fricción

No lineal material


Casa ColoradaRetos

Concreto Armado Acero camisa Mortero


Casa ColoradaRetos


Casa ColoradaRetos

σp,max Vertical

Max. ≈300kg/cm2

Tensiones que producen los daños observados en la lumbrera

Empuje del túnel hacia el interior de la lumbrera


Casa ColoradaRetos

Mecanismo de Arco plano por tener impedido el despl. longitudinal

Compresiones muy elevadas en zonas rígidas de apoyo


Casa ColoradaRetos


Casa ColoradaRetos

Flexión, M

Compresión Arco Plano

Cortante, V


Casa ColoradaRetos

Concreto = Fragilidad en Tensión


Casa ColoradaRetos

Daños y tensiones en armaduras No Suficientes en relación a lo observado

Además del asiento diferencial, desplazamiento longitudinal

Daños zona de conexión Túnel-Lumbrera


Casa ColoradaRetos


C.C.U. TlatelolcoRetos

• Construido en 1964.

• 22 plantas + 2 sótanos

• h = 85.6m

• Estructural vertical de Concreto armado

Ávila et al. (2009)





I2 I1 HK

Murià et al. (2013)



• 28 Acelerómetros

Instrumentación

(2008-2009)

• 1 estación GPS + 2 antenas

Respuesta del Edificio




• 28 Acelerómetros

Instrumentación

(2008-2009)

• 1 estación GPS + 2 antenas






Calibración Modelos de

simulación numérica

Objetivos

o Comprender los mecanismos de respuesta estructural actuales.

o Analizar los efectos de la interacción suelo-estructura.

o Determinar la efectividad de los métodos de reparación aplicados.



Requisitos

• Reproducir la historia de actuaciones en el edificio.

• Considerar el daño estructural producido en cada etapa.

• Interacción suelo-estructura.

Construcción evolutiva por etapas

Análisis no lineal material(Fisuración distribuida)



Elevado nivel de detalle



Modelización armadura



0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 2 4 6 8 10 12 14

Car

ga (

kN

)

Desplazamiento

Fisuración

Lineal


Cíclico FibrasRetos

Analizar significancia

Seong-Cheol Lee, et al. (2011)

Simulación numérica

Pull-outPush-in

Comprender mecanismos

Respuesta cíclica HRFA



Modelo de análisis

2 Interface No-lineales

Rigidez nula a tracción

Modelo friccional con cohesión

Resultados preliminares



Arrancamiento

Hincado

Oriol Arnau Delgado

por


20 de Mayo de 2014

oriol arnau delgado - instituto de ingenieria unam · (1999 –2002) ingeniería mecánica...

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