Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d’autor, es pot realitzar prèvia petició a l’Arxiu de la UPC / This thesis deals with the numerical simulation of welding processes. The analysis is focused either at global level, considering the full component to be jointed, or locally, studying more in detail the heat affected zone (HAZ). Even if most of the considerations are quite general, two specific welding technologies are studied in depth: multi-pass arc welding and its extension to Shaped Metal Deposition (SMD) processes (global level analysis) and Friction Stir Welding (FSW) technology (local framework). The analysis at global (structural component) level is performed defining the problem in the Lagrangian setting while, at local level, both Eulerian and Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) frameworks are used. More specially, to model the FSW process, an apropos kinematic framework which makes use of an efficient combination of Lagrangian (pin), Eulerian (metal sheet) and ALE (stirring zone) descriptions for the different computational sub-domains is introduced for the numerical modeling. As a result, the analysis can deal with complex (non-cylindrical) pin-shapes and the extremely large deformation of the material at the HAZ without requiring any remeshing or remapping tools. A fully coupled thermo-mechanical framework is proposed for the computational modeling of the welding processes proposed both at local and global level. A staggered algorithm based on an isothermal fractional step method is introduced. To account for the isochoric behavior of the material when the temperature range is close to the melting point or due to the predominant deviatoric deformations induced by the visco-plastic response, a mixed finite element technology is introduced. The Variational Multi Scale (VMS) method is used to circumvent the LBB stability condition allowing the use of linear/linear P1/P1 interpolations for displacement (or velocity, ALE/Eulerian formulation) and pressure fields, respectively. The same stabilization strategy is adopted to tackle the instabilities of the temperature field, inherent characteristic of convective dominated problems (thermal analysis in ALE/Eulerian kinematic framework). At global level, the material behavior is characterized by a thermo-elasto-viscoplastic constitutive model. The analysis at local level is characterized by a rigid thermo-visco-plastic constitutive model. Different thermally coupled (non-Newtonian) fluid-like models as Norton-Ho¿ or Sheppard-Wright, among others are tested. The balance of energy equation is solved in its enthalpy format for a treatment of the phase-change phenomena. An accurate definition of the heat source (laser, arc, electron beam, etc), as well as the heat generation induced by the visco-plastic dissipation or the frictional contact (Coulomb and Norton model) are described. An ad-hoc technique to account for the use of a filler material in the shape metal deposition (SMD) process is developed. The element activation methodology proposed allows for an accurate layer-by-layer deposition of the material without introducing spurious stress/strain fields. To better understand the material flow pattern in the stirring zone, a (Lagrangian based) particle tracing is carried out while post-processing FSW results. The final numerical tool developed to study the FSW process is able to give detailed information concerning the characteristics of the weld and their relationship with the welding process parameters (e.g. advancing and rotation velocities). The simulation tool presented in this work is validated with analytical results and calibrated with experimental data. This thesis is a collection of research articles supplemented with some introductory chapters summarizing the state-of-the-art, the motivations and objectives of the work as well as the main contributions and some suggested lines for future work. It comprises 7 already-published (or accepted for publication) peer-review journal articles which are integral part of this work.

Cone penetration test (CPT) is a fast and reliable site investigation tool for exploring soils and soft ground. While the interpretation of the test results in clay has advanced considerably from a theoretical and numerical viewpoint that of tests in sands still relies largely on empirical correlations. A major source of such correlations comes from tests done in calibration chambers (CC), where soil state and properties might be tightly controlled. Calibration chambers are relatively large pieces of equipment, and calibration chamber testing is expensive and time consuming. Moreover, CC tests are performed on freshly reconstituted sands whose fabric may vary from that of natural sand deposits. Hence, correlations developed for one type of sand might not be suitable for another sand deposit. Numerical DEM-based calibration chambers might offer an interesting alternative to the more cumbersome physical tests. This study is the first attempt to perform a three-dimensional DEM-based simulation of cone penetration test. The three-dimensional commercial DEM code (PFC3D) is used to develop Virtual Calibration Chamber CPT (VCC CPT) model. To achieve that objective, several steps were necessary. First, calibration of an analogue discrete material to represent Ticino sand was performed using single-element tests. Afterwards, the mechanical response of the discrete material was further validated by performing additional triaxial tests with different initial conditions. The VCC CPT model was then constructed. Comprehensive dimensional analysis showed that the best option to balance computational efficiency and realism was to fill the chamber with a scaled-up calibrated discrete material. An original filtering technique was proposed to extract steady state cone resistances. A basic series of simulations was performed to explore the effect of initial stress and relative density in cone resistance. The results obtained from the simulations did fit closely the trends that had been previously established using physical chambers. That result was taken as a general validation of the proposed simulation approach. From the micromechanical point of view, the granular material is highly discontinuous and inhomogeneous. Obtaining a homogeneous initial state (especially in the zone of the penetrating cone) is crucial to obtain easily interpretable results. Specific procedures to assess initial state inhomogeneities were developed. DEM-based models can provide results at various level of resolution i.e. the microscale, the meso-scale and the macro-scale. A large series of VCC CPT has been performed. Simulations were performed for models with different horizontal servo-control walls, various sizes of chamber, cone and particles and two boundary conditions. The results were analyzed, focusing on aspects such as chamber size, particle size and boundary condition effects on steady state cone resistance values. A smaller number of tests have also been examined from the point of view of shaft resistance. Most trends and results obtained are shown to be in agreement with previous physical tests. When disagreements appear, the causes are identified: the most severe disagreements result from initial inhomogeneities in the discrete model. The work described in this thesis showed ease the burden of future CPT calibrations in granular materials. / Los ensayos de penetración estática de cono (CPT) son una de las herramientas más importantes en el reconocimiento geotécnico. La interpretación de los resultados de ensayo en arcilla ha avanzado considerablemente desde un punto de vista teórico y numérico. Sin embargo la interpretación de los resultados en los materiales granulares por ejemplo arena) todavía está basada en correlaciones empíricas provenientes de las pruebas realizadas en cámaras de calibración (CC), donde el estado del suelo y sus propiedades pueden ser controlados. Las cámaras de calibración son equipos relativamente grandes, y los ensayos en ellas son bastante costosos en tiempo y recursos. Por otra parte, las pruebas se realizan en muestras de arenas reconstituidas cuyas propiedades varían respecto de los depósitos naturales de donde provienen. Por lo tanto, las correlaciones desarrolladas en un tipo de arena podrían no ser adecuadas para otro depósito distinto. Cámaras de calibración numéricas (virtuales) basadas en el método de elementos discretos (DEM) podrían ofrecer una alternativa interesante a los ensayos físicos. Este estudio es el primer intento de realizar una simulación basadas en el método de los elementos discretos tridimensionales de ensayos de penetración de cono. El código comercial tridimensional (PFC3D) ha sido usado para desarrollar el modelo de CPT de Cámara de Calibración Virtual (CPT VCC). Para alcanzar este objetivo fueron necesarios varios pasos. En primer lugar, se llevó acabo la calibración de un material discreto análogo a arena de Ticino mediante ensayos elementales. A continuación se construyó el modelo CPT VCC. Un análisis dimensional exhaustivo mostró que la mejor opción para crear un modelo eficiente y real era llenar la cámara con un material con el tamaño de grano 50 veces mayor que el de la arena de Ticino. Se propuso una técnica original de filtrado para extraer la resistencia de punta estacionaria. Se realizó una serie básica de simulaciones para explorar el efecto de la tensión inicial y la densidad relativa sobre la resistencia de cono. Los resultados obtenidos de las simulaciones se ajustan estrechamente a las tendencias establecidas previamente en cámaras físicas. Este resultado fue tomado como una validación general del programa de simulación propuesto. Desde el punto de vista de la micro-mecánica, el material granular es muy discontinuo y no homogéneo. La obtención de un estado inicial homogéneo (especialmente en la zona de penetración del cono) es crucial para obtener resultados fácilmente interpretables. Por lo tanto se han desarrollado procedimientos específicos para evaluar heterogeneidades del estado inicial. Los resultados manifestaron el papel clave del contorno de modelo (paredes rígidas), tanto pasivo como activo (servo-controlados), durante la formación del modelo. Los modelos basados en el DEM puede proporcionar resultados a varios niveles de la resolución, es decir del micro-, meso- y macro escala. Se ha realizado una gran serie de VCC CPT. Las simulaciones se realizaron para modelos con diferentes posiciones en las paredes horizontales de servo-control, varios tamaños de cámara, varios tamaños del cono y de las partículas y dos condiciones de contorno. Los resultados se analizaron centrándose en varios aspectos como el tamaño de la cámara, el tamaño de las partículas y los efectos de condiciones de contorno sobre el valor de la resistencia de punta. Un número limitado de los CPT fue examinado desde el punto de vista de la resistencia del fuste del cono. Se observó que la mayoría de las tendencias y los resultados obtenidos estaban de acuerdo con resultados previos obtenidos en ensayos físicos. El trabajo presentado en esta tesis debería facilitar futuras calibraciones CPT en materiales granulados.

The risk coming from natural hazards is usually assessed in physical terms by estimating the losses they may cause. Nevertheless, the risk assessment can involve such aspects as the lack of economic and social development, management deficiencies and inability of the society to respond and recover in case of a hazard event. The present research evaluates the seismic risk in a comprehensive or holistic way, namely, including the physical terms and characteristics of a social context. Specifically three methodologies are developed with regards to the assessment and management of risk in urban areas: 1) The numerical assessment of the seismic risk from a holistic perspective, based on fuzzy sets, which resulted from improving prior methodologies. This methodology allows assessing in a standardized manner the social fragility and lack of resilience, by means of the coefficient of aggravation (F), which requires a series of prevailing social indicators. The methodology allows applying it at different detail levels, regarding the amount of information available in the urban area. 2) The Multi-HAzard Risk Linguistic Assessment (MHARLA), which can be applied to a maximum of three natural hazards. This methodology is based on fuzzy logic and supported by the information provided by experts on natural hazards. 3) The proposal of action plans that help social actors responsible for making decisions on risk management to reduce risk. This methodology is based on a holistic evaluation and a Morphological Analysis (AM). In order to show the application of these methodologies, the total seismic risk and multi-hazard physical risk were assessed for the city of Mérida, Venezuela, and their future mitigation strategies were defined. Additionally, the first methodology was applied to the city of Barcelona, Spain. The numerical evaluation of the Physical Seismic Risk (RF) in the city of Mérida, Venezuela, was on average Low and High for an intensity of VIII and IX respectively. The RF index of the city of Barcelona, Spain, showed on average Very Low for an intensity of VI and Low for level VII. The social context of the city of Mérida led to a greater increase in the total seismic risk level compared to the seismic physical risk level (RF). The total seismic risk is on average at a Medium and Very High level for VIII and IX intensities respectively. The city of Barcelona, Spain, showed on average a Medium level of aggravation, similar to city of Mérida, Venezuela. Nevertheless, in this case the influence of social context by districts in the city of Barcelona was low, as most of the districts maintained the same level of risk for the physical seismic risk and total seismic risk. The physical risk in the city of Mérida (Venezuela) was estimated using the MHARLA methodology. The following two hazards were simultaneously considered while using MHARLA, namely: seismic and mass movement hazards. The comparison between the linguistic (using MHARLA) and numerical (for an intensity of IX) assessments obtained for the physical seismic risk, allowed validating somewhat the linguistic methodology for the particular case of seismic hazard, since the results showed similar risk levels. The suggested methodologies, and results obtained in this work, are useful to assess from a physical or holistic perspective the potential risks in any urban area. In addition they can help to establish the actions plans for risk reduction. / Por lo general, el riesgo debido a las amenazas naturales suele valorarse en términos físicos estimando las pérdidas que podrían ocurrir. Sin embargo, al incorporar en la evaluación del riesgo aspectos como: la ausencia de desarrollo económico y social, las deficiencias en la gestión institucional, y la falta de capacidad para la respuesta y recuperación de una sociedad en caso de que un evento peligroso ocurra, se estaría evaluando el riesgo sísmico de manera integral u holística, es decir, incluyendo términos físicos y las características del contexto social. En esta investigación se desarrollaron tres metodologías relacionadas con la evaluación y gestión del riesgo en zonas urbanas, concretamente para: 1) La evaluación numérica del riesgo sísmico desde una perspectiva holística, basada en los conjuntos difusos, que resultó de mejorar las metodologías precedentes. Dicha metodología permite evaluar de forma estandarizada la fragilidad social y la falta de resiliencia, mediante el coeficiente de agravamiento (F), el cual requiere de una serie indicadores sociales predominantes. La metodología permite aplicaciones con diferente nivel de detalle, según la cantidad de información disponible de la zona urbana. 2) La evaluación lingüística del riesgo físico multiamenaza, denominada MHARLA, por sus siglas en ingles Multi-HAzard Risk Linguistic Assessment, aplicable a un máximo de tres amenazas naturales. Esta se fundamenta en la lógica difusa y se apoya en información de un panel de expertos en riesgos naturales. 3) Proponer planes de acción que ayuden a los actores sociales encargados en la toma de decisiones en la gestión de riesgo, a formular estrategias para disminuir el riesgo sísmico holístico o total basándose en un Análisis Morfológico (AM). Para mostrar la aplicación de las metodologías, se evaluó para la ciudad de Mérida, Venezuela, su riesgo total sísmico y el riesgo físico multiamenaza, y se definieron las estrategias a seguir para su mitigación. Adicionalmente se aplicó la primera metodología a la ciudad de Barcelona, España. La evaluación numérica del Riesgo Físico sísmico (RF) en la ciudad de Mérida, Venezuela, resultó en promedio un nivel Bajo para la intensidad de VIII y un nivel Alto para la intensidad de IX. El índice RF de la ciudad de Barcelona-España resultó en promedio un nivel Muy Bajo para la intensidad de VI y un nivel Bajo para el caso de intensidad VII. El contexto social de la ciudad de Mérida generó un incremento de un grado mayor en el nivel de riesgo total sísmico respecto al nivel de riesgo físico sísmico (RF). Siendo el riesgo total sísmico en promedio nivel Medio y nivel Muy Alto para las intensidades de VIII y IX, respectivamente. La ciudad de Barcelona, España, en promedio presentó un nivel de agravamiento medio, similar al de la ciudad de Mérida, Venezuela. Sin embargo, en este caso la influencia del contexto social por distrito en la ciudad de Barcelona fue baja, ya que en la mayoría de los distritos se mantuvo el mismo nivel de riesgo para los índices de riesgo físico sísmico y riesgo total sísmico. En la ciudad de Mérida, Venezuela, se estimó con la metodología MHARLA el riesgo físico considerando simultáneamente dos amenazas: sísmica y movimientos en masa. La comparación entre las evaluaciones lingüística (a través de MHARLA) y numérica (para intensidad IX) obtenidas para el riesgo físico sísmico en la ciudad de Mérida, Venezuela, permitió en cierto modo validar la metodología lingüística para el caso particular de amenaza sísmica, ya que los resultados obtenidos presentaron niveles de riesgo muy similares. Las metodologías propuestas y los resultados obtenidos en este trabajo son útiles para establecer en cualquier zona urbana sus posibles riesgos desde una perspectiva tanto física como holística, debido a la amenaza sísmica, y el riesgo físico multiamenaza, para luego establecer acciones que permitan ayudar a los programas de mitigación del riesgo

En la Unión Europea, y más concretamente en España, el análisis prestacional de cualquier edificio frente a la acción del fuego es aún un hecho aislado y poco habitual, a pesar de las ventajas que el mismo comporta. No obstante, incluso en aquellos países donde hace años se estudia el comportamiento estructural en situación accidental de incendio en base a los métodos prestacionales, como es el caso de Estados Unidos, el campo científico de las simulaciones computacionales basadas en la Dinámica de fluidos y en la Termodinámica está aún en lo que podríamos denominar, haciendo un símil con el crecimiento del ser humano, la fase adolescente. Mejorar en la medida de lo posible los criterios relativos a la caracterización de un fenómeno tan importante durante el desarrollo de un fuego como es la turbulencia y disponer de una nueva metodología de análisis relativa a la verificación cualitativa de la misma permitirá avanzar con seguridad a la sociedad a medida que estas simulaciones computacionales en edificación se extiendan al terreno profesional / In the European Union, and more specifically in Spain, the analysis of the effect of fire on any building remains an isolated and unusual fact, despite the advantages it may involve. However, even in the countries (such as the United States) where the structural behavior under a fire accidental situation has been studied under benefit methods for many years, the scientific field of computational simulations based on Fluid Dynamics and Thermodynamics remains in what could be called, in comparison to human growth, the teenage years. The improvement of the criteria used to characterize the phenomenon of turbulence and the supply of a new analysis methodology focused on its qualitative verification, so important during the development of fire, will improve society’s security, as these computational simulations are extended to the professional field.

Particle Image Velocimetry (PIV) is one of the most used experimental techniques in fluid mechanics to obtain the velocity field of a flow. One of its most celebrated characteristics is that it does not have interference on the phenomenon of study which makes it suitable to describe qualitatively and quantitatively many phenomena either micro or macroscopic. This thesis presents the PIV technique applied to two different fluid mechanic problems: vortex rings impinging permeable boundaries and oscillatory boundary layers in the laminar-to-turbulent regime. The first part of this thesis focuses on the impingement of vortex rings towards permeable boundaries and compares the results with the interaction of a vortex ring with a solid boundary. Assuming that a vortex ring is an axisymmetric structure, 2D PIV experiments are performed over boundaries on 4 different permeabilities and a solid boundary. When a vortex approaches a solid boundary, three different phenomena are clearly visible: the vortex ring decelerates when the distance between the core and the wall is in the order of the initial diameter of the ring. At the same time, the diameter starts increasing producing a stretching effect and, finally, secondary vorticity appears after the ring has reached the minimum distance from the wall. Experimental results lead to some interesting conclusions when the permeability of the boundary increases: the deceleration of the vortex ring starts later, the diameter does not increase as much and, finally, secondary vorticity is weaker and has shorter life. The second and third part of this thesis focus on the study of oscillatory boundary layers over smooth and rough walls. Experimental measurements were conducted over smooth and two different rough beds spanning the laminar, transitional and turbulent flow regimes. A multi-camera 2D-PIV system was used in an experimental oscillatory-flow tunnel. Characteristic variables like boundary layer thickness and friction factor were computed using different methods. Results obtained experimentally in smooth wall experiments are consistent with theoretical work. For the rough wall cases different formulations have been compared. Finally, results show how the phase lead between wall velocity and free-stream velocity is better defined when the integral of momentum equation is used to estimate the friction velocity. The observed differences are highly sensitive to the zero level definition. Finally, a detailed analysis of the structures present in such oscillatory boundary layers yield to a description of four different features: vortex tubes present in oscillatory flows over smooth beds, and vortices, turbulent spots and shear layers present in oscillatory flows over rough beds. The inception of vortex tubes is consistent with the state-of-art predictors as a result of the Kelvin-Helmholtz instability. Furthermore, structures present in rough wall experiments are a little bit more complicated because their inception and evolution are clearly influenced by the position of the sediment grains forming the bed. Vortices are created behind a kink in the bed sediment profile during the wall flow reversal and are shed from the wall when flow starts its acceleration cycle. Both the vertical and horizontal evolutions of the vortex position depend on the ratio between the amplitude of oscillation and roughness of the sediment bed. Turbulent spots are defined as structures which are born vortices but lose their shape in an early stage. They follow the same trajectories as vortices but reach lower heights before dissipating. Finally, shear layers were only detected in the larger bed roughness and are described as a sum of vortices that are shed consecutively from the same sediment. These shear layers are linked to vortices during the wall flow reversal when a big vortex is formed in the same place as the shear layer. / La tècnica experimental del Particle Image Velocimetry (PIV) és una de les més utilitzades en el món de la mecànica de fluids per obtenir el camp de velocitats en un flux. La seva no interferència en el desenvolupament del fenomen que s’estudia la fa aplicable a tot tipus de fenòmens, ja sigui micro com macroscòpics i permet estudiar qualitativa i quantitativament la dinàmica de fluids d’un fenomen particular. Aquesta tesis presenta l’aplicació del PIV a dos problemes de mecànica de fluids diferents: anells de vorticitat impactant contorns permeables i capes límit oscil•latòries dins del règim transitori. La primera part d’aquesta tesis es centra en l’estudi dels anells de vorticitat impactant contorns permeables i la seva comparació amb l’impacte del mateix anell amb una paret sòlida. Assumint que un anell de vorticitat és una estructura axisimètrica, s’han realitzat experiments PIV en 2D, en quatre contorns permeables diferents i un contorn sòlid. Quan un anell de vorticitat es mou cap a una superfície sòlida es fan presents tres fenòmens principals: la desacceleració de l’anell de vorticitat quan assoleix una distància amb la paret de l’ordre del diàmetre inicial de l’anell. Al mateix temps un augment del diàmetre produint un efecte estirament i finalment l’aparició d’un segon anell de vorticitat quan el primer anell ha assolit la distància mínima de la paret. El treball experimental aporta algunes conclusions interessants sobre l’evolució d’aquestes característiques principals a mesura que la permeabilitat del contorn d’impacte augmenta: la distància de la paret a la qual comença la desacceleració disminueix, el diàmetre de l’anell de vorticitat primari creix amb menys intensitat i finalment el segon anell de vorticitat és més dèbil i té una vida més curta. La segona i tercera part de la tesis es centren en descriure el fenomen de capa límit oscil•latòria en fluxos sobre llits llisos i rugosos. En aquesta tesis es descriuen els experiments centrats en l’estudi de la capa límit oscil•latòria sobre fons llis i dos tipus diferents de fons rugós per a un rang de Rew = 0.4.104 ~ 2.104; els experiments es centren en la transició de règim laminar a règim laminar a turbulent i utilitzen la tècnica de 2D PIV amb multicàmera aplicada a un túnel de flux oscil•latori. Algunes variables característiques com el gruix de la capa límit o el factor de fricció s’analitzen des de diferents perspectives. Els resultats obtinguts en els experiments de llit rugós coincideixen amb les prediccions realitzades per a teoria existent. Per als experiments en llit rugós diferents formulacions es comparen. Finalment els resultats mostren com la diferència de fase entre la velocitat de paret i a la velocitat del pistó que activa l’oscil•lació es defineix més bé quan es calcula a través de la integral de la quantitat de moviment. Les diferències observades amb els resultats obtinguts quan es calcula a través de la suma de tensions de Reynolds i tensions viscoses són degudes principalment a la sensibilitat d’ambdues equacions a la definició del zero d’ordenades. Per altra banda, el gruix màxim observat per la capa límit es produeix just abans de que es produeixi l’instant de velocitat zero, també anomenat fase del revers, independentment del règim del flux. Finalment es realitza un anàlisi detallat de les estructures presents en les capes límit oscil•latòries definint fins a quatre tipus diferents: tubs de vorticitat presents en fluxos oscil•latoris sobre llits llisos, vòrtexs, bursts i capes de tensió detectades en els fluxos sobre llits rugosos. L’evolució dels tubs de vorticitat coincideix amb la teoria ja publicada i són el resultat de l’aparició de la inestabilitat de Kelvin-Helmholtz. Els experiments descrits en aquesta tesis confirmen les mateixes característiques i permeten definir la vida d’aquests tubs de vorticitat. Les estructures presents en llits rugosos són una mica més complicades degut a que la seva formació i evolució està clarament influenciada per la posició dels grans de sediment que formen el fons. Els vòrtexs es creen darrere una punta en el perfil del llit de sediment durant la fase del revers prop de la paret i es separen d’aquesta quan comença el cicle d’acceleració. L’evolució tant de la posició vertical com horitzontal d’aquests vòrtexs depenen del quocient entre l’amplitud de l’oscil•lació i la rugositat del sediment. Els bursts es defineixen com a aquelles estructures que neixen sent un vòrtex però perden la forma de seguida. De fet, aquests bursts són vòrtexs de mida més petita i que apareixen en localitzacions properes en el camp de velocitats instantani. No obstant quan es realitza la mitjana en fase, la seva forma desapareix, mostrant-se com a bursts. La seva trajectòria és semblant a la dels vòrtexs prèviament descrits, però assoleixen una alçada inferior. Finalment les capes de tensió es visualitzaren només en els experiments portats a terme amb la màxima rugositat i es defineixen com una successió de vòrtexs creats en el mateix gra. Aquestes últimes estructures estan relacionades amb els vòrtexs inicialment descrits ja que aquests es formen amb les estructures romanents de la capa de tensió just quan es produeix el revers del flux. El treball presentat en aquesta tesis es basa en dos problemes de mecànica de fluids. No obstant confirma que la tècnica del PIV és aplicable a fenòmens totalment diferents.

El diseño de edificios siguiendo criterios de sostenibilidad y eficiencia energética se ha convertido en un imperativo en los países desarrollados, sobre todo a raíz de la Directiva europea 2010/31/UE sobre Eficiencia Energética en los Edificios, cuyo objetivo para el año 2019 es el de conseguir zero-emission buildings, es decir, edificios cuyo impacto sobre el entorno sea casi nulo, al ser autosuficientes energéticamente y no emitir gases de efecto invernadero. En respuesta a esta corriente, la Doble Fachada Acristalada (DFA) representa una alternativa constructiva que, aplicada en entornos mediterráneos, supone una posible estrategia de diseño energéticamente eficiente para mejorar el comportamiento de las tradicionales fachadas de vidrio de uso tan extendido en los edificios de oficinas y comerciales de las grandes ciudades. El estudio de la implantación de la DFA y su comportamiento ha sido un tema tratado extensamente en la última década. No obstante, la literatura disponible está muy restringida a casos de regiones de clima frío y templado de Europa y América del Norte, contexto en el cual pueden encontrarse casos de aplicación eficiente a nivel energético. Sin embargo, las experiencias de aplicación de DFA en zonas de clima mediterráneo arrojan posibles problemas de funcionamiento, sobre todo durante la estación cálida, debido al sobrecalentamiento de la entrepiel causado por la elevada radiación solar característica de este tipo de clima. Este fenómeno ocasiona que sea necesario un coste energético extra para obtener unas condiciones de confort adecuadas en el interior del edificio. El estudio de la DFA requiere de una investigación exhaustiva de los fenómenos de transferencia de calor y fluidodinámicos involucrados. Para realizar un análisis apropiado de estos fenómenos, y gracias a la mejora de la potencia de cálculo de los ordenadores en los últimos años, han aparecido métodos que permiten abordar el problema de analizar el comportamiento de la DFA a través de la definición de modelos matemáticos que simplifican el modelo real. En esta línea, el uso de programas de simulación térmica zonal y multizonal, así como la utilización de programas de dinámica de fluidos computacional (CFD), se han destacado como herramientas útiles a la hora de modelizar los fenómenos fluidodinámicos y de transferencia de calor asociados a la DFA. El objetivo general de esta tesis se centra en la optimización del comportamiento térmico y energético de una doble fachada acristalada con ventilación forzada (DFAV) horizontal y configuración constructiva fija, para su aplicación en edificios de oficinas localizados en zonas de clima mediterráneo. Dicha optimización, que se ha llevado a cabo mediante el software de simulación térmica zonal TAS, pretende resolver los posibles problemas de sobrecalentamiento en el interior del edificio generados cuando se aplica esta tipología de fachada en climas de alta radiación solar. En el modelo analizado, la ventilación de la entrepiel de la fachada –que es la encargada de la evacuación del exceso de calor de la misma–, se supone a cargo de un sistema de recirculación del aire de climatización expulsado del edificio. Este sistema puede ser complementado, en caso de requerirse una mayor extracción de calor, por un equipo auxiliar que mediante la impulsión de aire exterior permita aumentar el caudal de aire a través de la entrepiel. Por otro lado, se ha utilizado un modelo analítico simplificado –desarrollado a partir de las ecuaciones fundamentales de transferencia de calor–, que se ha evaluado en diversos puntos característicos del dominio para comprobar la exactitud de los resultados obtenidos a través de las simulaciones realizadas. Se ha concluido que, para estimar la efectividad de la DFAV a la hora de disminuir la demanda energética del edificio, este modelo matemático simplificado –que utiliza coeficientes de transmisión de calor combinados medios– puede considerarse válido. Además, las diferencias obtenidas con el modelo simulado son lo suficientemente reducidas para considerar que –a falta de un modelo experimental sobre el que validar los resultados obtenidos– dicho desarrollo matemático permite afirmar la bondad de los resultados obtenidos en el modelo de simulación. Respecto al proceso de optimización de la DFAV se ha concluido que, para una oficina de características estándar, la fachada es el elemento clave que define el comportamiento termoenergético del edificio, de manera que su correcto diseño es fundamental para conseguir minimizar su consumo energético y alcanzar las mejores condiciones de confort térmico interior posibles. Así, en edificios con fachadas altamente vidriadas situados en entornos de elevada radiación solar como el mediterráneo, la utilización de vidrios que limiten las ganancias solares en el interior del edificio es básica para el control de la demanda de climatización del mismo. Contrariamente, el comportamiento del edificio empeora al sustituir el vidrio interior transparente por uno bajo emisivo, lo que prueba que, en ocasiones, la utilización de un vidrio de mayor calidad no supone un beneficio claro en cuanto a la disminución de la demanda del edificio en el cuál se instala. Además, se comprueba que la utilización de la DFAV frente al muro cortina tradicional permite mejorar las condiciones de demanda de climatización y de confort térmico alcanzadas en un edificio como el analizado. Por último, se ha concluido que la aplicación de una estrategia de ventilación mixta a caudal variable en función de las necesidades de climatización de los espacios ocupados supone una mejora notable a nivel de reducción de la demanda de climatización global del edificio, aunque únicamente respecto al caso de DFA sin ventilar. Las mejoras respecto a los casos con la doble fachada ventilada con un caudal elevado de aire exterior son escasas. Así pues, la decisión de emplear un tipo u otro de ventilación de la entrepiel de la DFAV vendrá determinada por el análisis de coste de implantación contra la disminución de la demanda de climatización asociada a cada sistema. Las reducciones de la demanda de climatización obtenidas parecen descartar la instalación del sistema de recirculación de aire interior para ventilar la DFAV, al obtenerse escasas mejoras respecto a un sistema de ventilación con aportación de aire todo exterior. / The building design in base of sustainability and energy efficiency criteria has become an imperative in developed countries, especially since the application of the European Directive 2010/31/EU on Energy Efficiency in Buildings, whose goal for 2019 is the achievement of zero-emission buildings, buildings with almost zero impact on the environment. In response to this trend, Double Glazed Facade (DGF) represents a constructive alternative that can improve the performance of traditional glass facades commonly used in commercial and offices buildings located in large cities. The study of the DGF has been largely restricted to cases of cold and temperate climate regions in Europe and North America. In this context, many energy efficient applications can be found. However, the DGF application experiences in Mediterranean climate have shown potential performance problems, due to the facade overheating caused by high solar radiation characteristic of this type of weather. This phenomenon is responsible of the need of an extra energy cost for adequate comfort conditions inside the building. The study of the DGF requires an intensive investigation of heat transfer phenomena involved. For a proper analysis of these phenomena, some methods which analyze the DFA behavior through mathematical models which simplify the real model can be used. In this line, the use of thermal simulation zonal programs and the use of computational fluid dynamics have emerged as useful tools when modeling physical phenomena associated to the DFA. The main objective of this thesis focuses on the optimization of the thermal and energy performance of a double skin facade with an horizontal forced ventilation scheme, and with a fixed structural design, for its application in office buildings located in areas with a Mediterranean climate. This optimization has been carried out with the thermal simulation software TAS. The facade ventilation of the analyzed model ¿which is res pons ible for the removal of the heat accumulated in the space between the two skins is generated by a system which recirculates the air expelled from the building. This system can be supplemented with an auxiliary system which drives outside air for increasing the air flow through the facade cavity. On the other hand, a symplified analytical model developed from the fundamental equations of heat transfer has been used to check the accuracy of the results obtained through simulations. It has been concluded that such mathematical model allows us to affirm the goodness of the results obtained in the simulation model. Furthermore, it can be considered valid to estimate the effectiveness of DGF to decrease the energy demand of the building. Regarding the DFAV optimization process, it has been concluded that, for an standard office building, the facade is the key element that defines the thermal behavior of the building. So, its correct design is essential for minimizing energy consumption and for achieving indoor thermal comfort conditions. It is found that the use of DGF against traditional curtain wall can reduce the cooling demand and improve the thermal comfort in a building like the one analyzed. Moreover, it has been concluded that the application of variable flow hybrid ventilation causes a notable improvement to reduce overall cooling demand of the building when comparing with the unventilated DGF case. The analysis of the HVAC reductions seems to advise against the installation of an air recirculation system to ventilate the DGF cavity, because of the little improvement obtained over the use of a ventilation system only with exterior air supply. So the final decision to use a certain type of cavity ventilation will be determined by the analysis of implementation cost against the HVAC demand reduction for each system.

La caracterización de los ligantes bituminosos se ha venido realizando mediante una serie de ensayos físicos: penetración, punto de reblandecimiento, punto de fragilidad, ductilidad, etc., que tienen por objeto identificar el producto y comprobar que satisface las especificaciones fijadas. Sin embargo, esta caracterización es compleja e incompleta: hay que acudir a un gran número de ensayos que sólo evalúan parcialmente y de forma indirecta alguna de sus propiedades, y que en la mayoría de los casos no gozan de la sensibilidad necesaria para diferenciar a los distintos betunes asfálticos de modo satisfactorio; propiedades tan importantes como la cohesión, la susceptibilidad térmica o la adhesividad no quedan suficientemente caracterizadas. Si esta afirmación es válida para los betunes puros, lo es más para los modificados, que ya constituyen de por sí un nuevo material de propiedades notablemente distintas de los betunes originales.Se plantea, pues, el problema de seleccionar los métodos de ensayo que aseguren la bondad de un determinado ligante para una mezcla asfáltica y garanticen la durabilidad del betún en servicio. Ha sido precisamente la poca idoneidad de estos ensayos para la caracterización de ligantes asfálticos lo que ha llevado a desarrollar un nuevo procedimiento: el método Universal de Caracterización de Ligantes (método UCL), basado en la aplicación del ensayo cántabro de pérdida por desgaste, que de manera fiable y sencilla permite definir con amplitud y precisión las propiedades de los ligantes asfálticos, tanto de los obtenidos directamente de la destilación del petróleo y de la hulla, como de los modificados mediante la incorporación de aditivos.El ensayo cántabro de pérdida por desgaste se ha mostrado como un ensayo rápido, sencillo y suficientemente sensible, que permite evaluar las propiedades fundamentales de los ligantes: cohesión, susceptibilidad térmica, adhesividad y envejecimiento, así como las características del mástico fíller-betún. / To date, characterization of asphalt binders has been based on physical tests: penetration, softening point, fragility, ductility, etc. The objective of such tests is to identify the product and make sure that it meets the established specifications.Nevertheless, such a characterization is complex and incomplete: many tests have to be performed to partially and indirectly evaluate some of the binders' properties; very few cases have enough sensitivity to satisfactorily differentiate asphalt binders: properties as important as cohesion, thermal sensitivity or adhesivity are not sufficiently characterized. This problem is magnified for modified binders.We therefore seek a new test method that ensures the suitability of a binder for an asphalt mix and guarantees the binder durability when it is in service.The lack of suitability of the existing tests for the characterization of asphalt binders encouraged the development of a new procedure: the Universal Method of Binders Characterization ("UCL" method), which is based on the application of the cántabro test of abrasion loss, which, in a reliable and simple way, allows us to define the properties of asphalt binders (those directly obtained from petroleum distillation and also those modified through additive incorporation) thoroughly and accurately.The cántabro test of abrasion loss has proven to be a quick and easy to perform test, holding enough sensitivity to assess the essential characteristics of binders: cohesion, thermal sensitivity, adhesivity and ageing, as well as the filler/bitumen mastic characteristics.

L’objectiu de la Monitorització de la salut estructural (SHM) és la verificació de l’estat o la salut de les estructures per tal de garantir el seu correcte funcionament i estalviar en el cost de manteniment. El sistema SHM combina una xarxa de sensors connectada a l’estructura amb monitoratge continu i algoritmes específics. Es deriven diferents beneficis de l’aplicació de SHM, on trobem: coneixement sobre el comportament de l’estructura sota diferents operacions i diferents càrregues ambientals , el coneixement de l’estat actual per tal de verificar la integritat de l’estructura i determinar si una estructura pot funcionar correctament o si necessita manteniment o substitució i, per tant, reduint els costos de manteniment. El paradigma de la detecció de danys es pot abordar com un problema de reconeixement de patrons (comparació entre les dades recollides de l’estructura sense danys i l’estructura actual, per tal de determinar si hi ha algun canvi) . Hi ha moltes tècniques que poden gestionar el problema. En aquest treball s’utilitzen les dades dels acceleròmetres per desenvolupar aproximacions estadístiques utilitzant dades en temps per a la detecció dels danys en les estructures. La metodologia s’ha dissenyat per a una turbina eòlica off - shore i només s’utilitzen les dades de sortida per detectar els danys. L’excitació de la turbina de vent és induïda pel vent o per les ones del mar. La detecció de danys no és només la comparació de les dades. S’ha dissenyat una metodologia completa per a la detecció de danys en aquest treball. Gestiona dades estructurals, selecciona les dades adequades per detectar danys, i després de tenir en compte les condicions ambientals i operacionals (EOC) en el qual l’estructura està treballant, es detecta el dany mitjançant el reconeixement de patrons. Quan es parla del paradigma de la detecció de danys sempre s’ha de tenir en compte si els sensors estan funcionant correctament. Per això és molt important comptar amb una metodologia que comprova si els sensors estan sans. En aquest treball s’ha aplicat un mètode per detectar els sensors danyats i s’ha insertat en la metodologia de detecció de danys. / The objective of Structural Health Monitoring (SHM) is the verification of the state or the health of the structures in order to ensure their proper performance and save on maintenance costs. The SHM system combines a sensor network attached to the structure with continuous monitoring and specific, proprietary algorithms. Different benefits are derived from the implementation of SHM, some of them are: knowledge about the behavior of the structure under different loads and different environmental changes, knowledge of the current state in order to verify the integrity of the structure and determine whether a structure can work properly or whether it needs to be maintained or replaced and, therefore, reduce maintenance costs. The paradigm of damage detection can be tackled as a pattern recognition problem (comparison between the data collected from the structure without damages and the current structure in order to determine if there are any changes). There are lots of techniques that can handle the problem. In this work, accelerometer data is used to develop statistical data driven approaches for the detection of damages in structures. As the methodology is designed for wind turbines, only the output data is used to detect damage; the excitation of the wind turbine is provided by the wind itself or by the sea waves, being those unknown and unpredictable. The damage detection strategy is not only based on the comparison of many data. A complete methodology for damage detection based on pattern recognition has been designed for this work. It handles structural data, selects the proper data for detecting damage and besides, considers the Environmental and Operational Conditions (EOC) in which the structure is operating. The damage detection methodology should always be accessed only if there is a way to probe that the sensors are correctly working. For this reason, it is very important to have a methodology that checks whether the sensors are healthy. In this work a method to detect the damaged sensors has been also implemented and embedded into the damage detection methodology. / El objetivo de la Monitorización de la salud estructural (SHM) es la verificación del estado o la salud de las estructuras con el fin de garantizar su correcto funcionamiento y ahorrar en el costo de mantenimiento. El sistema SHM combina una red de sensores conectada a la estructura con monitorización continua y algoritmos específicos. Se derivan diferentes beneficios de la aplicación de SHM, donde encontramos: conocimiento sobre el comportamiento de la estructura bajo diferentes operaciones y diferentes cargas ambientales, el conocimiento del estado actual con el fin de verificar la integridad de la estructura y determinar si una estructura puede funcionar correctamente o si necesita mantenimiento o sustitución y, por lo tanto, reduciendo los costes de mantenimiento. El paradigma de la detección de daños se puede abordar como un problema de reconocimiento de patrones (comparación entre los datos recogidos de la estructura sin daños y la estructura actual, con el fin de determinar si hay algún cambio). Hay muchas técnicas que pueden manejar el problema. En este trabajo se utilizan los datos de los acelerómetros para desarrollar aproximaciones estadísticas utilizando datos en tiempo para la detección de los daños en las estructuras. La metodología se ha diseñado para una turbina eólica off-shore y sólo se utilizan los datos de salida para detectar los daños. La excitación de la turbina de viento es inducida por el viento o por las olas del mar. La detección de daños no es sólo la comparación de los datos. Se ha diseñado una metodología completa para la detección de daños en este trabajo. Gestiona datos estructurales, selecciona los datos adecuados para detectar daños, y después de tener en cuenta las condiciones ambientales y operacionales (EOC) en el que la estructura está trabajando, se detecta el daño mediante el reconocimiento de patrones. Cuando se habla del paradigma de la detección de daños siempre se debe tener en cuenta si los sensores están funcionando correctamente. Por eso es muy importante contar con una metodología que comprueba si los sensores están sanos. En este trabajo se ha aplicado un método para detectar los sensores dañados y se ha metido en la metodología de detección de daños

El estudio de la mecánica computacional de fallo ha ganado creciente popularidad en los últimos años. Modelizar el comportamiento poscrítico de estructuras puede alcanzar un grado elevado de complejidad, debido a la multiplicidad de aspectos que es necesario considerar.Desde el punto de vista de la mecánica de medios continuos, el fallo está estrechamente relacionado con la localización de deformaciones. Se dice que un sólido presenta localización de deformaciones cuando existen bandas en las cuales se producen modos de deformación intensos. Este fenómeno ha sido clasificado como una inestabilidad material, ya que está ligado a modelos constitutivos con ablandamiento o con reglas de flujo no asociadas. Un enfoque fenomenológico del problema de localización de deformaciones permite su estudio mediante saltos en el campo de desplazamientos, conocidos como discontinuidades fuertes.Este trabajo propone varias técnicas numéricas que contribuyen a la modelización de discontinuidades fuertes en sólidos bidimensionales dentro del marco de la mecánica de medios continuos. Con este objetivo, se hace una revisión sistemática de los fundamentos teóricos con los cuales se puede emprender el estudio del fallo en estructuras sin salir del ámbito de la mecánica de medios continuos clásica.En primer lugar, mediante el análisis de bifurcación discontinua, se establecen las condiciones necesarias para la aparición de discontinuidades en sólidos. A continuación, se analizan las implicaciones de adoptar la cinemática de discontinuidades fuertes en el contexto de la modelización constitutiva de medios continuos mediante el análisis de discontinuidades fuertes. Establecidas estas herramientas conceptuales, se procede a estudiar una serie de formulaciones de elementos finitos con discontinuidades internas que posibiliten la simulación numérica eficiente de la evolución de interfaces de discontinuidad en sólidos.El marco de trabajo escogido se basa en el planteamiento de las ecuaciones de gobierno del problema de valores de contorno mediante una formulación de varios campos. A partir de un análisis comparativo, se determina que el elemento más eficiente es el conocido como elemento asimétrico. Su uso implica la utilización de algoritmos de trazado del camino de la discontinuidad. Luego de estudiar este tipo de algoritmos, se propone uno que, basado en una analogía con el problema de conducción del calor, permite determinar todos las posibles líneas de discontinuidad para cada paso en un proceso de carga. Este algoritmo es especialmente eficiente para gestionar la evolución de varias líneas de discontinuidad.Se estudian, además, algunos posibles problemas de estabilidad que podrían surgir. La adición de un término viscoso a la ecuación de equilibrio se adopta como solución a las posibles inestabilidades. Finalmente, se presenta una serie de ejemplos que ponen de manifiesto la potencia de las técnicas propuestas. / The study of Computational Failure Mechanics has attracted increasing attention over the past years. Modelling the postcritical behaviour of structures is by no means trivial, due to high level of complexity that it can reach . From the continuum mechanics point of view, failure is tightly related to strain localization. When bands with modes of intense deformation are observed in a solid, it is said to undergo strain localization. It has been classified as a material instability due to its close relationship with constitutive models either equipped with strain softening or having non-associative flow rules. From a phenomenological standpoint, strain localization can be regarded as an interface where a jump in the displacement field develops. These jumps in the displacement field are termed strong discontinuities. In this work, several techniques that contribute to the continuum modelling of strong discontinuities in two-dimensional solids are proposed.To this end, a systematic review of the fundamentals of the study of failure in solids within the context of Classical Continuum Mechanics is made. First, the necessary conditions for the appearance of discontinuities in solids are established by using the socalled discontinuous bifurcation analysis. Then, the implications of adopting the strong discontinuity kinematics plus the use of continuum constitutive models are studied by means of the so-called strong discontinuity analysis. With these concepts on hand, the study of finite elements with embedded discontinuities is undertaken. A very general multi-field statement of the governing equations of the boundary value problem is used as the framework to formulate the different families of elements. The comparative analysis of all the formulations leads to the conclusion that the so-called non-symmetric element is the most efficient. However, the use of this element entails the necessity of a tracking algorithm. This kind of algorithms are also studied. A tracking algorithm based on a heat-conduction-like boundary value problem that gives all the possible discontinuity lines for a given time step in a loading process is proposed. This algorithm is specially suitable for managing multiple discontinuity interfaces. The problems of stability and uniqueness that can appear when simulating the evolution of discontinuity interfaces are analyzed and the addition of a regularizing damping term to the momentum balance equation was proposed. Finally, the proposed techniques were tested by means of some numerical examples.

The Mediterranean region appears to be particularly responsive to global and climate change, causing decrease in annual river flows and making the region most prone to an increase in drought hazard and water stress. This thesis is an approach to quantify and analyse the water quantity, hydrological ecosystem services and water supply in temperate regions under environmental changes. Hydrological flow and hydrological ecosystem services (water provisioning) models are developed for a low flow Mediterranean river (Francolí river) basin using MIKE BASIN and InVEST respectively. Changes in the delivery of regulating (erosion control) services are also assessed in the heavily humanized Llobregat River basin (NE Spain) considering drivers of climate change (temperature and precipitation). Moreover, Analytic Hierarchy Process (AHP) is adapted to solve the multi-criteria decision-making problem of alternate water supply for different sectors in Francolí river basin. Climate change have already affected some elements of hydrological ecosystem services and that some are vulnerable in the Mediterranean river basins. Together these effects determine the need of a correct approach for water allocation system and the appropriate alternate water resources at a catchment level due to water scarcity. / Parece ser que la región mediterránea esuna zona particularmente vulnerable al cambio global y climático. Este hecho provoca un descenso en el caudal anual de los ríos y que la zona sea más propensa a un aumento de las sequías y el estrés hídrico. Esta tesis es una aproximación a la cuantificación y el análisis de la cantidad de aguay de los servicios ecosistémicos hidrológicos en regiones templadas bajo cambios ambientales.Se desarrollaron los modelos de caudal hidrológico y servicios ecosistémicos hidrológicos (aprovisionamiento de agua) para una cuenca de río mediterráneo de bajo caudal (río Francolí) utilizando MIKE BASIN e InVEST respectivamente. También se evaluaron los cambios en el subministro del serviciode regulación (control de la erosión) en la cuenca del río Llobregat (NE de España), la cual está fuertemente humanizada, considerando los impactos del cambio climático (temperatura y precipitación). Además, se adaptó el Proceso Jerárquico Analítco (PJA) para solucionar el problema de la alternativa de disponibilidad de agua para diferentes sectores en la cuenca del río Francolí según múltiples criterios de decisión. El cambio climático ya ha causado impactosen algunos elementos de los servicios ecosistémicos hidrológicos que son vulnerables en las cuencas de ríos mediterráneos. Todos estosimpactos determinan que, debido a la escasez de agua, sea necesario un enfoque correcto para el sistema de asignación de agua y los recursos hídricos alternativos apropiados a nivel de cuenca.