La informació sobre el temps de viatge és l'indicador clau en el funcionament operatiu d’una autopista i un dels inputs més apreciats pels seus usuaris. Tot i això, no ha estat fins molt darrerament que els operadors d'autopistes han començat a analitzar el trànsit de la carretera amb l’objectiu de proporcionar informació acurada sobre el temps de viatge. També recentment, les administracions titulars de les autopistes han començat a demanar que es proporcioni tal informació com a mesura del servei d'accessibilitat proporcionat per la carretera, en termes de qualitat i fiabilitat. Durant el segle passat, els detectors d’espira magnètica jugaven un paper primordial en la monitorització del trànsit al proporcionar informació sobre el volum de trànsit i també sobre la velocitat i longitud mitjanes dels vehicles, encara que generalment amb menys precisió en aquests dos darrers casos. En les darreres dècades han aparegut noves tecnologies de control de trànsit (càmeres intel•ligents, seguiment mitjançant GPS o telèfon mòbil, identificació de dispositius bluetooth, nous detectors MeMS, etc.) que permeten millorar considerablement la recollida de dades sobre el temps de viatge. Algunes d’aquestes tecnologies són barates (bluetooth), d’altres no ho són (càmeres); però en qualsevol cas la major part de la xarxa d’autopistes encara està controlada per detectors d’espira magnètica. Té sentit doncs, emprar la seva informació bàsica i enriquir-la, quan calgui, amb noves fonts de dades. Aquesta tesi presenta una metodologia nova i simple per a la previsió a curt termini del temps de viatge en autopistes de peatge basada en la fusió de dades provinents de detectors d’espira magnètica i de tiquets de peatge. La metodologia és genèrica i no és tecnològicament captiva: es podria generalitzar fàcilment a uns altres tipus de dades. L'anàlisi Bayesià permet obtenir dades fusionades que són més fiables que les dades d’entrada originals, superant alguns problemes habituals en l’estimació del temps de viatge a partir de fonts úniques d’informació. La metodologia desenvolupada aporta valor afegit a les dades actuals (detectors d’espira i tiquets de peatge) en autopistes de peatge tancat, i aprofita al màxim (en termes d'estimació del temps de viatge) les dades disponibles, sense caure en la demanda recurrent i costosa d’una major necessitat de dades. L'aplicació dels algoritmes a l’autopista de peatge AP-7 als voltants de Barcelona demostra empíricament la tesi: és possible desenvolupar un sistema acurat d'informació de temps de viatge, en temps real, en autopistes de peatge tancat amb la monitorització existent. Per això, d'ara en endavant els operadors d'autopistes podran oferir aquest valor afegit als seus clients sense gairebé cap inversió extra. / Travel time information is the key indicator of highway management performance and one of the most appreciated inputs for highway users. Despite this relevance, the interest of highway operators in providing approximate travel time information is quite recent. Besides, highway administrations have also recently begun to request such information as a means to measure the accessibility service provided by the road, in terms of quality and reliability. In the last century, magnetic loop detectors played a role in providing traffic volume information and also, with less accuracy, information on average speed and vehicle length. New traffic monitoring technologies (intelligent cameras, GPS or cell phone tracking, Bluetooth identification, new MeMS detectors, etc.) have appeared in recent decades which permit considerable improvement in travel time data gathering. Some of the new technologies are cheap (Bluetooth), others are not (cameras); but in any case most of the main highways are still monitored by magnetic loop detectors. It makes sense to use their basic information and enrich it, when needed, with new data sources. This thesis presents a new and simple approach for the short term prediction of toll highway travel times based on the fusion of inductive loop detector and toll ticket data. The methodology is generic and it is not technologically captive: it could be easily generalized to other equivalent types of data. Bayesian analysis makes it possible to obtain fused estimates that are more reliable than the original inputs, overcoming some drawbacks of travel time estimations based on unique data sources. The developed methodology adds value and obtains the maximum (in terms of travel time estimation) of the available data, without falling in the recurrent and costly request of additional data needs. The application of the algorithms to empirical testing in AP-7 toll highway in Barcelona proves our thesis that it is possible to develop an accurate real-time travel time information system on closed toll highways with the existing surveillance equipment. Therefore, from now on highway operators can give this added value to their customers at almost no extra investment. Finally, research extensions are suggested, and some of the proposed lines are currently under development.

El estudio del comportamiento mecánico-resistente de la obra de fábrica, como material de construcción, empleado en diversidad de edificaciones tanto de carácter histórico como actual, ha sido materia de interés relativamente reciente. Lo anterior, si consideramos lo vasto de los trabajos a nivel científico, realizados a otro tipo de materiales de construcción como el hormigón. Para contribuir en ese campo se ha desarrollado la investigación presentada en esta tesis doctoral, la cual ha estado orientada hacia la búsqueda de métodos simples que permitan de una manera práctica y fácil estimar la carga máxima que pueden soportar los muros en obra de fábrica, sometidos a la acción combinada de cargas verticales de compresión y horizontales de corte. La primera etapa de la investigación estuvo dedicada a la recopilación y análisis minucioso de la literatura existente y referida al estudio del comportamiento mecánico-resistente de muros en obra de fábrica, bien sea a nivel experimental o analítico. Lo anterior, y tal como se muestra en el documento, no descartó el continuar con la consulta permanente en las diferentes fuentes de información para conocer los avances que, sobre la materia, se han ido presentando a medida que avanzaba el desarrollo de la investigación aquí realizada. Las campañas experimentales seleccionadas, sobre muros en obra de fábrica, fueron utilizadas en las etapas siguientes como fuente de calibración y/o validación en los estudios numéricos realizados. Posteriormente, se procedió a seleccionar un micromodelo numérico para ser utilizado como herramienta para verificar y/o ajustar las propuestas iniciales de modelos simples. Estos modelos están basados en el método de las bielas y tirantes, el cual utiliza bielas para representar los campos de compresión y tirantes para las tracciones, formando un mecanismo resistente. Se buscaba que el micromodelo numérico permitiese predecir satisfactoriamente la carga última y los mecanismos de rotura observados experimentalmente en las campañas realizadas sobre muros de obra de fábrica disponibles en la literatura. Los datos disponibles de las campañas experimentales, permitieron validar los micromodelos numéricos utilizados en los dos casos de carga vertical estudiados, compresión y parcial o concentrada. A continuación se realizó un estudio paramétrico para analizar la sensibilidad del comportamiento estructural de muros en obra de fábrica, con el fin de determinar la influencia en la respuesta de diversas variables geométricas y propiedades resistentes. Los resultados del estudio anterior permitieron evaluar la capacidad de los modelos simples para representar, en la respuesta del muro, la influencia de los factores analizados.Para el caso de carga vertical uniforme se pudo evidenciar que, en general, los modelos simples presentaban un satisfactorio comportamiento en la predicción de la respuesta última de los muros evaluados. El caso de carga vertical parcial o concentrada, requirió la necesidad de modificar las propuestas iniciales de modelos simples para incluir en ellos otros factores que, según los resultados obtenidos, inciden en la respuesta del muro. Esto se realizó utilizando las diferentes distribuciones de las tensiones obtenidas numéricamente y su contrastación con el mecanismo resistente propuesto por los modelos simples. Como resultado final del desarrollo de la investigación se presentó una propuesta de método simplificado para el análisis de muros simples en obra de fábrica sometidos a estados biaxiales (compresión y corte) de solicitaciones en su plano. Finalmente, se presentan las conclusiones encontradas en el estudio y se plantean unas líneas de investigación futuras que permitan dar continuidad al trabajo realizado. / The study of the mechanical-resistant behavior of blocky masonry as construction material, used in a variety of historical and current buildings, has been a relatively recent area of interest. This, considering the vastness of the scientific work conducted for other construction materials like concrete.In order to contribute in this area of knowledge, a research was developed and it is presented in this thesis. It has been oriented towards the search of simple methods that allow in practical way, to estimate the maximum load that can be supported by masonry walls subjected to the combined action of compressive vertical and horizontal shear loads.The first phase of this research was dedicated to the collection and analysis of the state of the art related to the study of the mechanical-resistant behavior of masonry walls, in either experimental or analytical level. This literature review was continued throughout the whole process of the research. In subsequent stages, results of selected experimental campaigns on masonry walls were used to calibrate and/or validate the performed numerical studies.Subsequently, a numeric micro-model was selected to be used as a tool to verify and/or adjust the initial proposals of simple models. These simple models are based on the struts and ties method which uses the struts to represent the compressive stress fields and the ties for tension zones, both of them forming a resistant mechanism. The objective was to predict satisfactorily, by means of the numeric micro-model, the ultimate loads and mechanisms of fracture observed in the experimental campaigns on masonry walls reported in the literature.The available data from experimental campaigns, helped to validate the numerical micromodels that were used in the two cases of vertical load studied, uniform and partial or concentrated loads. Then a parametric study was conducted in order to determine the influence of several variables and geometrical properties on the structural behavior of masonry walls. The results of this study allowed us to evaluate the ability of simple models to represent theinfluence of the analyzed factors on the response of the wall.In the case of uniform vertical load was evident, in general, that simple models presented a satisfactory performance in predicting the ultimate response of the evaluated walls. The case of partial or concentrated vertical load required the modification of the original simple models proposals in order to include other factors that influence the response of the wall according to the numerical results. This modification was done by contrasting different stress distributions stresses obtained numerically with the proposed resistant mechanism of the simple models.The final result of this research consists on the proposal of a simplified method for the analysis of simple walls in masonry under biaxial states (compressive and shear) of solicitations on its plane.Finally, the conclusions drawn from the current research are summarized and recommendations for future works are given.

La evaluación de la respuesta dinámica o sísmica de estructuras complejas a menudo requiere de la integración en el dominio del tiempo de la ecuación de equilibro dinámico de la estructura, en el marco de un análisis no lineal. En el caso de estructuras de fábrica y hormigón armado, el uso de este tipo de métodos cobra especial importancia, debido al complejo comportamiento no lineal que presentan, incluso para niveles bajos de carga. Muchas de estas estructuras pueden idealizarse como entramados espaciales de barras. En las últimas dos décadas, se ha desarrollado en la UPC una generalización de los métodos matriciales convencionales para el análisis de entramados espaciales de barras, la llamada Formulación Matricial Generalizada (FMG). La formulación básica para elementos de directriz curva y sección variable fue presentada inicialmente por Carrascón et al. (1987). Posteriormente, Carol y Murcia (1989) aplicaron esta formulación al análisis non lineal de procesos variables en el tiempo. Esta formulación fue extendida luego al análisis no lineal geométrico y del material de estructuras de obra de fábrica (Molins, 1996; Molins y Roca, 1998). Una extensión de la formulación estática básica al análisis dinámico lineal fue presentada por Molins et al. (1998) a través de la propuesta de una matriz de masa consistente. Esta formulación ha probado ser una herramienta eficiente para el análisis no lineal de estructuras de pórticos espaciales, durante más de quince años de aplicación en el Departamento de Ingeniería de la Construcción de la UPC.El objetivo fundamental de este trabajo es extender la FMG al análisis dinámico no lineal de estructuras espaciales de barras de hormigón armado y obra de fábrica. Para ello, la formulación básica ha sido complementada con varias nuevas características: · Se ha desarrollado un modelo constitutivo cíclico uniaxial para el hormigón y la obra de fábrica sometida tanto a cargas cíclicas de compresión como de tracción. Se ha puesto especial énfasis en la descripción de la degradación de la rigidez producida durante los ciclos de carga en tracción y compresión, la forma de las curvas de carga y descarga, y la transición entre abertura y cierre de fisuras. Se consideran dos parámetros independientes de daño, una para tracción y otro para compresión. En el caso de cargas cíclicas de compresión, el modelo se derivó de resultados experimentales obtenidos por otros autores, considerando la dependencia de las diferentes variables con el nivel de daño alcanzado, mientras que en el caso de cargas cíclicas de tracción, se propone un modelo simple basado en observaciones experimentales.· Se adoptó un modelo constitutivo para el acero de refuerzo sometido a cargas cíclicas, el conocido modelo de Menegotto-Pinto.· Finalmente, se adoptó un procedimiento para la integración de la ecuación de equilibrio dinámico de la estructura.Una vez implementado en ordenador, el modelo propuesto a sido aplicado a varios casos de estructuras aporticadas de hormigón armado y obra de fábrica sometidas a cargas de tipo cíclico y dinámico. Los resultados obtenidos demuestran que el modelo propuesto permite predecir adecuadamente la respuesta cíclica/dinámica de este tipo estructuras. / The assessment of the dynamic or seismic performance of complex structures often requires the integration in the time domain of the structural equation of motion in the frame of a non-linear analysis. In the case of masonry and reinforced concrete structures, the use of these methods for the assessment of the structure become of great importance, due to its complex non linear behavior, even for low levels of loading. A great number of these structures may be idealized as spatial frames. A generalization of the conventional matrix methods for the analysis of spatial framed structures has been developed in the UPC during the last two decades, the so-called Generalized Matrix Formulation (GMF). The basic formulation for curved elements with variable cross section was presented by Carrascón et al. (1987). Carol and Murcia (1989) extended this flexibility based formulation to the non linear time dependant analysis. This formulation was later extended to the geometrical and material non linear analysis of masonry framed structures (Molins, 1996; Molins and Roca, 1998). An extension of the basic formulation to the linear dynamic analysis was later proposed by Molins et al. (1998) through the introduction of a consistent mass matrix. The formulation has proved for more than fifteen years of extensive use, to be an efficient tool for the analysis of 3D framed structures.The aim of this research is to extend the GMF to the non linear dynamic analysis of reinforced concrete and masonry framed structures. Following this main goal, the basic formulation has been complemented with a series of new features:· A uniaxial constitutive model for concrete and masonry subjected to cyclic loadings in both compression and tension has been proposed. Particular emphasis has been paid to the description of the strength and stiffness degradation produced by the load cycling in both, tension and compression, the shape of unloading and reloading curves and the transition between opening and closing of cracks. Two independent damage parameters in compression and in tension have been introduced to model the concrete degradation due to increasing loads. In the case of cyclic compressive loading, the model has been derived from experimental results obtained by other authors by considering the dependency of the cyclic variables with the damage level attained by the concrete. In the case of cyclic tension a simple model is adopted based on experimental observations.· A constitutive model for the cyclic behavior of reinforcing steel, the well known Menegotto-Pinto model, has been adopted. · Finally, a time step procedure for the integration of the dynamic equilibrium equation of the structure has been adopted.In order to show the capabilities of the proposed formulation, once implemented in a computer program, it has been applied in three examples of structures subjected to cyclic and dynamic loadings. The obtained results show that the model may adequately predict the cyclic/dynamic response of this type of structures.

La tesis doctoral propone una nueva metodología de optimización del problema de diseño rutas de distribución de muchos orígenes a muchos destinos en paquetería. La optimización minimiza los costes de transporte del sistema y combina algoritmos heurísticos con el metaheurístico Búsqueda Tabú. Se han considerado tres estrategias para realizar el envío de un volumen de mercancía entre un origen y un destino [envío directo, paradas múltiples (peddling) y envío a través de una terminal de consolidación o almacén de cross-docking (hub)] adaptándose como restricciones a la capacidad de los vehículos, los plazos temporales para realizar en envío y el número de muelles de cross-docking en cada terminal. El problema de optimización combinatoria se resuelve eficazmente mediante Búsqueda Tabú, consiguiendo una reducción del coste del sistema en relación a otros procedimientos heurísticos del 7% en problemas a carga completa (Full Truck Load, FTL) y superior al 12% en problemas a carga fraccionada (Less than Truck Load, LTL). A nivel heurístico, el criterio de parada y el criterio de reinicialización del procedimiento de búsqueda han condicionado en gran medida la bondad de la solución. Adicionalmente, se ha desarrollado una estrategia de aceptación de envíos de paradas múltiples (peddling) basada en criterios probabilísticos que conlleva una reducción media del 10% sobre el coste del sistema.Aplicaciones a baterías de problemas, algunos de ellos basados en datos reales, certifican la bondad del modelo desarrollado. El modelo determina en cada caso el tamaño del vehículo más competitivo en costes en función de la carga media de los envíos (en volumen) y de los costes de transporte y de las paradas. Únicamente en casos puntuales las flotas de tamaño intermedio son competitivas en costes. La determinación del número óptimo de hubs depende del tamaño medio de envío. El número de terminales hub para pocos puntos y envíos medios grandes (>30m3) es entre 1 y 2 y este número crece casi linealmente con el número de puntos. Para envíos más pequeños (<10m3) los crecimientos del número de hubs son más variables. Se presenta la formulación de una función estimativa de los costes totales del problema con unos errores de estimación inferiores al 16% de la solución propuesta por el algoritmo. Finalmente, la congestión en la red de transporte afecta de forma relevante los costes de distribución del sistema. En la congestión de los muelles de cross-docking de las terminales, los costes son más importantes en escenarios de envíos a carga completa que en problemas LTL. En relación a la congestión en los arcos de la red, se constatan variaciones de costes poco relevantes para reducciones de velocidad acotadas. Finalmente, se sugieren extensiones de la investigación y del modelo desarrollado.

La política tarifaria y sus medidas complementarias son parte de una estrategia para reducir los costes externos que produce la movilidad por carretera sobre la sociedad. Desde una perspectiva de sostenibilidad en los países desarrollados, la tarifación constituye un instrumento útil para proporcionar un uso eficiente de las carreteras y, a la vez, captar recursos para el mantenimiento de las mismas y la mejora e innovación del servicio de transporte público. Su aplicación se va extendiendo aunque no está libre de condicionantes conceptuales (una mezcla de tarifación y restricción es óptimo), tecnológicos (tarifación por uso de viario vs. aparcamiento, reconocimiento de matrículas vs. GPS o DSRC), culturales (aversión al pago por uso de las carreteras o del viario público), sociales (credibilidad del sistema, destino de los fondos recaudados, etc.) y de implicaciones en la equidad social.La tesis presenta una metodología basada en el principio económico de tarifación del coste marginal social a corto plazo y emplea un enfoque de second-best (óptimo con restricciones de implantación) para cuantificar la tarifa óptima que determina un nivel de demanda que proporciona la máxima ganancia de bienestar social.La metodología propuesta se desarrolla para una red de carreteras metropolitanas y permite comparar múltiples esquemas de tarifación a través de la evaluación cuantitativa de diversos indicadores de operación, económicos y sociales. Cinco tipologías tarifarias constituyen las alternativas evaluadas, que pueden agruparse en dos simples (tarifa plana y kilométrica lineal) y tres complejas (kilométrica cóncava, tarifa de acceso más kilométrica y cordón más kilométrica); estas últimas tienen la ventaja de favorecer a los commuters, equilibrar las debilidades y fortalezas de las estructuras convencionales y adaptarse a la topología viaria existente. Para la contrastación y selección de la mejor opción tarifaria a implantar, se recurre a un análisis multicriterio basado en un proceso de jerarquización analítico.La aplicación se ha realizado sobre la red de vías de gran capacidad del Área Metropolitana de Barcelona, modelizada con TransCAD. Se define el escenario base y se simula el escenario futuro mediante la instauración de cada una de las estructuras estudiadas durante la hora punta de mayor congestión. Los resultados miden los efectos negativos (pérdida de excedente de usuario) y positivos (ingresos y reducción de costes de congestión) agrupados en la variación del bienestar social total.Las modelización y su análisis de sensibilidad permiten extraer guías de diseño para la planificación del transporte e implantación de una estrategia tarifaria en áreas urbanas o metropolitanas congestionadas. Se concluye que el uso adecuado de los ingresos incide positivamente en la equidad y que el esquema mixto tarifa cordón + kilométrica lineal es el más adecuado para la ciudad de Barcelona: con 1,55 euros/vehículo de tarifa plana más 0,09 euros/veh·km se reduce la demanda un 10% en veh·km; la ganancia máxima de bienestar social supera los 93.000 euros/h para una reducción de 11,8% de los veh·km. Finalmente, se sugieren extensiones de la investigación y del modelo desarrollado. / Pricing policy and its complementary measures are part of a strategy to reduce the external costs that road mobility causes upon society. From the point of view of sustainability in developed countries, pricing becomes a useful tool in order to make the road system efficient, to raise funds for its maintenance and to improve and innovate the public transportation system. Its application is progressively expanding, though it is not free from neither conceptual determining factors (a mixture of pricing and restriction is the optimum balance), nor technological determinants (pricing by road network vs. parking lot, license plate recognition vs. GPS or DSRC), nor cultural determinants (aversion to pay for road usage or public network), nor social (system credibility, funds raised use, etc.), nor it is free from implications on the social equity. This thesis presents a methodology based on the economical principle of the social short run marginal cost and it uses a second-best approach in order to quantify the optimal toll to determine the demand level that offers the highest increase in social welfare. The proposed methodology is developed for a metropolitan road network and it allows a comparison between multiple pricing schemes by means of quantitatively analyzing the different operation, economic and social indicators. The evaluated alternatives are made up of five pricing systems that can at the same time be grouped into two simple alternatives (flat pricing and linear kilometric) and three complex alternatives (concave kilometric, access toll plus kilometric charge and cordon plus kilometric charge); these latter alternatives favor the commuters, they help balancing the weaknesses and strengths of the conventional structures and they adapt themselves to the current road topology. In order to contrast and select the better pricing system to be established, a multicriterial analysis based on the analytical hierarchization process has been used.This system has been applied to expressways of the Metropolitan Area of Barcelona, modeled with TransCAD. The base scenario is defined and the future scenario is simulated by means of implementing each of the studied structures during the rush hour traffic congestion. The results measure the negative effects (user's surplus loss) and the positive ones (revenues and reduction of congestion costs) grouped within the net social welfare change. Modeling and its sensitivity analysis allow the obtaining of a design guide to transportation planning and to implement a pricing strategy in congested metropolitan or urban areas. The appropriate use of the revenues positively influences the equity and shows that the mixed scheme cordon toll plus linear kilometric is the most appropriate for the city of Barcelona: with 1.55 /vehicle per flat toll plus 0.09 /vehicle·km the demand is reduced a 10% in vehicles·km; the maximum increase in social welfare exceeds 93,000 /h for a 11.8% reduction in vehicles·km. Finally, extensions of this research and developed model are suggested.

The increasing use of the tunnel boring machines (TBMs) has entailed their own evolution and the improvement of the construction processes applied, allowing the construction of tunnels on more complex hydro-geological conditions. These new drilling facilities imply that higher ground and water pressures have to be resisted by the structural lining, turning its design into a key item in all current tunnel projects. TBMs construction process is mainly associated to precast concrete segmental tunnel linings, which are consisted of concrete rings sequentially placed as the tunnel drilling advances. Despite segmental tunnel linings are widely used, their structural response presents significant uncertainties due to the particular configuration on multiple precast pieces and the evolutionary construction process applied. The improvement and optimization of segmental tunnel linings, necessary to obtain safer structures at a lower cost, requires a significant advance in the knowledge of their structural response and about the appropriate techniques to properly reproduce it. This PhD thesis present the mechanisms and phenomena involved in the structural response of precast concrete segmental tunnel linings, detailing numerical modeling strategies to properly simulate them. The integration of all these techniques in a unique model allows the analysis of a real tunnel lining subjected to different scenarios, determining the influence and relevance of the main parameters defining a tunnel and its structural lining. Present research departs from an innovative in situ test carried out at Line 9 subway tunnel in Barcelona. The treatment and analysis of the obtained data provides experimental evidences about the structural response of segmental tunnel linings and the main involved mechanisms and phenomena. Different numerical simulation strategies are developed in order to properly reproduce such mechanism and phenomena, achieving a reliable simulation of an isolated ring response. The longitudinal response of the segmental concrete linings is obtained through the detailed study of the construction process applied and the ground-structure interaction mechanisms. The knowledge of the longitudinal force present at a segmental tunnel lining is of paramount importance in order to determine the interaction degree between adjacent rings and the consequent three-dimensionality of the lining response. Finally, the numerical simulation of a real tunnel section subjected to different scenarios of load and boundary conditions determines the influence of the three-dimensional effects on segmental concrete linings response, concluding about its structural implications in respect to the isolated ring approach usually employed in design processes.

El progresivo incremento de la altura de los Edificios de Gran Altura (EGA) ha aumentado las consecuencias reales y potenciales cuando irrumpen en ellos incendios naturales. A la vista de dichas pérdidas, el objeto principal de esta Tesis es la contribución al análisis avanzado y prevención de los mecanismos de colapso estructural en EGAs inducidos por incendios naturales, mejorando el conocimiento actual de los fenómenos involucrados en los mecanismos de fallo estructural introducidos por la acción de dichos incendios naturales y de las consecuencias de ciertas estrategias de extinción de incendios. Durante el calentamiento del Hormigón de Alta Resistencia (HSC), tienen lugar diversos fenómenos complejos, con interacciones físicas, químicas y mecánicas que resultan en cambios significativos de sus propiedades, comportando una pérdida de la capacidad portante y de otras características de servicio de las estructuras de HSC. Un fenómeno significativo conducente a un mecanismo de fallo estructural específico de los HSCs es el Spalling Térmico. Esta Tesis fija el citado objeto, en primer lugar, en los dominios del análisis computacional del Spalling Térmico por medio del software de análisis higro-termo-quimo-mecánico (HTCM) más avanzado y basado en el denominado Modelo de Padua, el software High Temperature Concrete and Spalling o HITECOSP con los objetivos de: Desarrollar un abanico de nomogramas de Spalling con el objeto de evaluar la sensibilidad de los procesos HTCM involucrados en el comportamiento de los HSC, bajo condiciones de incendio natural, a determinados parámetros relevantes; Analizar si el Spalling es energéticamente viable en un abanico de casos reales; Discernir cuál es la contribución energética al Spalling Térmico por parte del gas comprimido y cuál es la correspondiente a la energía elástica constreñida (los dos factores clave conducentes, conjuntamente, al Spalling Térmico). Se han desarrollado más de 91 análisis HTCM, resultantes de la combinación de los valores de los parámetros considerados, a saber: el contenido inicial de humedad del HSC, su permeabilidad intrínseca, la intensidad del fuego, la resistencia a compresión, el conjunto de propiedades del HSC y el espesor del elemento estructural. Otra materia escasamente estudiada en relación con el objeto de la Tesis, es el análisis del efecto de las estrategias de extinción en el estado estructural de los EGAs durante incendios naturales. El choque térmico inducido por la aplicación de un chorro de agua sobre la superficie de un elemento estructural, produce una reducción significativa de la resistencia a flexión y a compresión, mientras que fenómenos de Spalling (Post-Spalling) pueden tener lugar durante y después de la extinción. Esta Tesis fija por tanto su objeto, en segundo lugar, en el dominio del análisis del efecto de un espectro de procesos de enfriamiento en el estado HTCM de un elemento estructural de nuevo con HITECOSP con los siguientes objetivos: Analizar el efecto de un espectro de procesos de enfriamiento en el estado HTCM de un elemento estructural, fabricado con HSC, durante el desarrollo de un incendio natural en un EGA; Desarrollar un análisis comparativo del estado HTCM final de un elemento estructural después de diferentes tipos y subtipos de procesos de enfriamiento, incluyendo la comparación de enfriamientos ambientales y de superficie, diferentes instantes de inicio y velocidades de los procesos de enfriamiento; Proporcionar suficiente información para analizar la influencia en el comportamiento HTCM de un elemento estructural, durante los procesos de enfriamiento, de diversos parámetros no relacionados con los propios procesos de enfriamiento. Dos casos de referencia han sido seleccionados y analizados en profundidad incluyendo numerosas variaciones de: tipo de enfriamiento bien enfriando los gases del escenario bien la superficie del elemento estructural, instante de inicio del proceso de enfriamiento y su velocidad. Este segundo encuadre de objetivos incluye el desarrollo de más de 20 Simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional por medio del software Fire Dynamics Simulator (FDS) para extraer la evolución de la temperatura en las superficies de los elementos estructurales durante diversas acciones de extinción. Finalmente se incluye un análisis heurístico del efecto de los procesos de enfriamiento en el estado HTCM de una columna cuadrada, fabricada con HSC, durante el desarrollo de un incendio natural en un EGA, entendiéndose como una extensión introductoria de los anteriores análisis a casos con flujos 2D como las columnas cuadradas, en las cuales el Spalling de esquina es el más peligroso. / The progressive gain of height of High-Rise Buildings (HRB) has increased the actual and potential consequences when natural fires irrupt. In sight of these losses, the major aim of this Thesis is to contribute to the advanced analysis and prevention of the mechanisms of natural fire-induced structural collapse in HRB, by improving the current knowledge of both the phenomena involved in the structural failure mechanisms introduced by natural fires action and of the consequences of certain fire fighting strategies developed during these fires. During heating of High Strength Concrete (HSC), there take place several complex, interacting physical, chemical and mechanical phenomena resulting in significant changes of the material inner structure and properties, leading to a loss of the load bearing capacity and of other important service features of concrete structures. A significant phenomenon leading to a structural failure mechanism very specific for the HSC used in HRBs and of a great practical importance is the Thermal Spalling. This Thesis settles, first, the abovementioned major aim in the domain of the computational Thermal Spalling analysis by means of the most advanced hygrothermo chemo-mechanical (HTCM) analysis software based on the so-called Model of Padova, High Temperature Concrete and Spalling software (HITECOSP) – with the objectives of: Develop a spectrum of spalling nomograms addressed to evaluate the sensitivity of the HTCM processes involved on the HSCs behaviour under a natural fire to some relevant parameters; Analyze if spalling is energetically possible in a variety of actual cases; Discern what is the energetic contribution of compressed gas to Thermal Spalling and what is that corresponding to the constrained elastic energy (namely, the two key factors leading, together, to Thermal Spalling). There are developed more than 91 HTCM analyses resulting from combinations of the parameters’ values initially considered: the initial moisture content of concrete, its intrinsic permeability, the rate of temperature increase, the porosity, compressive strength and, in general, the whole set of properties of concrete and the thickness of the structural element. Another scarcely studied matter related to the major aim of this Thesis is the analysis of the effect of fire fighting strategies on the structural state of the HRB during natural fires. Thermal shock, induced by the application of water jets on the surface of structural elements, produces a significant reduction in both the flexural strength the compressive strength, whereas Post-cooling spalling may occur after the fire is over, after cooling down or maybe even during extinguishing (especially those containing calcareous aggregates). This Thesis settles, second, the major aim in the domain of the analysis of the effect of a spectrum of cooling processes on the HTCM state of a structural element, manufactured with HSC, during the development of a natural fire in a HRB again with HITECOSP with the objectives of: Analyze the effect of a spectrum of cooling processes on the HTCM state of a structural element, manufactured with HSC, during the development of a natural fire in a HRB; Develop a comparative analysis to compare the final HTCM state of a structural element after the development of different types and subtypes of cooling processes, including comparisons about the Environment vs. Structural element’s Surface cooling attacks, among different start instants and for several velocities of the cooling processes; Provide enough information to analyze the influence on the HTCM behaviour of the structural element during the cooling processes of several parameters non-related to the own cooling processes. Two reference cases are selected where the extinguishing actions conditions are varied in order to cover the widest possible range of situations found by Fire-Fighting Services during a natural fire extinguishment: the type of cooling, the cooling start instant and its rate. This second settling of objectives also includes the development of more than 20 Computational Fluid Dynamics simulations by means of Fire Dynamics Simulator software (FDS) in order to work out the evolution of temperature at surfaces during several extinguishing actions. To conclude, the development of a heuristic analysis of the effect of cooling processes on the HTCM state of a square column, manufactured with HSC, during the development of a natural fire in a HRB, is also included, being understood as an introductory extension of the abovementioned analyses to cases with 2D fluxes such as square columns, where Corner Thermal Spalling is the most dangerous type.

Una viga armada se considera híbrida cuando se utilizan diferentes límites elásticos de acero en las chapas de alas y alma que la conforman. Un diseño estructural de una viga armada híbrida puede resultar más eficiente que el de una viga homogénea, tanto desde un punto de vista resistente como desde un punto de vista económico y sostenible. Las vigas armadas híbridas han sido estudiadas a nivel teórico, experimental y numérico bajo solicitaciones de flexión, de abolladura por cortante, de interacción flexión-cortante y de fatiga. Los estudios realizados han demostrado que dicho diseño puede ser especialmente atractivo en la construcción de puentes metálicos de tipo bijácena-mixtos. Como resultado, dicha solución ha sido ampliamente utilizada a nivel mundial en el diseño de puentes metálicos tanto ferroviarios como de carretera. Uno de los posibles procesos constructivos de dichos puentes es el lanzamiento. El lanzamiento por empujes sucesivos es un proceso constructivo que presenta grandes ventajas desde el punto de vista económico como logístico. Este proceso consiste en empujar mediante gatos hidráulicos, la estructura entre un estribo y otro. Las ganancias generadas en términos económicos y logísticos de este proceso llevan asociado un incremento sustancial en el nivel de solicitaciones en la estructura que puede llegar a niveles muy superiores a los que habitualmente soportan los puentes construidos de manera convencional. Durante el proceso de lanzamiento, todas las secciones transversales tanto rigidizadas como no rigidizadas pasan por las pilas del puente, por lo que se pueden ver solicitadas con una carga concentrada de una gran entidad en la dirección vertical. Esta carga concentrada puede agotar la pieza, bien sea por plastificación total de la misma o bien, por la aparición de fenómenos de inestabilidad. La resistencia de vigas armadas homogéneas sometidas a cargas concentradas ha sido estudiada de manera extensa en las últimas décadas del siglo pasado. A pesar de la profusa investigación que se ha publicado en ambos campos de manera separada, se ha encontrado que la misma, cuando analizada de manera conjunta en ambos tópicos es bastante escasa. Por ello, se ha juzgado pertinente el desarrollo de un trabajo de investigación que pudiera poner en solfa los diferentes avances encontrados en ambas líneas de investigación. En la presente Tesis Doctoral se presenta una investigación sobre la resistencia de vigas armadas híbridas sometidas a cargas concentradas. El trabajo se basa en los resultados obtenidos en una campaña experimental de ocho prototipos y cientos de simulaciones numéricas realizadas en un modelo contrastado adecuadamente con la experimentación. El objetivo principal del estudio ha sido el de valorar los mecanismos resistentes de las vigas híbridas frente a cargas concentradas. Se presenta un análisis comparativo entre los resultados obtenidos y los derivados de la formulación recogida en EN1993-1-5. Los resultados han mostrado que el tratamiento de la resistencia es sensiblemente diferente en vigas en función del espaciamiento de su rigidización transversal. Al final del trabajo, se proponen algunas sugerencias que permitirían incluir los resultados obtenidos en las actuales expresiones de diseño de EN1993-1-5 para el caso particular de vigas híbridas sometidas a cargas concentradas. / A girder is deemed as being hybrid when it is fabricated with different steel strengths for the flange and web panels. This type of girder is popular as the girder yields a greater flexural capacity at a lower cost and weight compared to a homogeneous girder. Extensive experimental, theoretical and numerical research on hybrid design can be found in the literature. Flexural capacity, shear resistance, instability and fatigue resistance of hybrid prototypes have been widely investigated in the last decades. Hybrid design has proven economically sound when used in continuous bridges. Consequently, a myriad of bridges have been designed world-wide using a hybrid girder structural solution. A vast amount of these bridges have been erected by using the incremental launching method. The incremental launching method is particularly suited for the construction of continuous multi-span steel plate girder bridges. It consists of assembling and casting sections of the bridge superstructure in a stationary formwork behind an abutment in order to push a completed section forward with jacks along the bridge axis. This construction process implies that the reactions of the piers become moving concentrated loads acting in short lengths of the webs assembling the plate girders. During launching, the reactions of the piers are expected to be quite large, particularly when the cantilever reaches its maximum value. A concentrated force acting perpendicular to the flange of a steel girder is commonly referred to as patch loading. This type of loading usually induces a local failure of the web plate in the vicinity of the loaded flange. If the web panel is stocky, the failure mode is primarily dominated by yielding whereas whether the panel is slender, instability-related modes may occur. Patch loading phenomena has been widely analysed since the early sixties. Several failure mechanisms and critical buckling loads have been proposed throughout the last decades for the case of stiffened and unstiffened panels. Despite the vast amount of research devoted to both topics, the research work that matches both subjects is scant. Consequently, a research work has been developed for the sake of bridging this gap. This thesis deals simultaneously with the patch loading and hybrid design fields. The core of the work is an experimental program on eight hybrid steel plate girders together with a vast amount of simulations performed on a properly validated numerical model. The work is focused on the assessment of the actual resistance predicted by EN1993-1-5 provisions. The most remarkable results of the research work are pointed out. On the one hand, it is shown that the influence of the fyf/fyw ratio (namely, the hybrid grade) is negligible for girders with largely spaced transverse stiffeners and stiff flanges. On the other, it is shown that this influence can be significant if the transverse stiffeners are closely spaced and/or alternatively, the flanges are relatively flexible. At the end of the work, suggestions for considering these findings on design codes are provided.

En la ingeniería estructural, uno de los desafíos constantes es encontrar nuevas formas de proteger las estructuras de las fuerzas medioambientales. El aislamiento sísmico se ha mostrado como una forma efectiva de reducir la respuesta de la estructura principal y de mitigar el daño de equipos o elementos secundarios. Una desventaja de la mayoría de los sistemas de aislamiento se hace evidente en el caso de estructuras sometidas a terremotos cercanos. Estos suelen producir grandes deformaciones en los aisladores que pueden llegar a poner en peligro la estabilidad de la estructura. Para evitar esto se ha sugerido combinar aisladores con dispositivos adicionales de disipación de energía (sistema hibrido). En este contexto, se ha potenciado significativamente el interés por incorporar dispositivos cuyas propiedades se pueden ajustar en tiempo real durante un terremoto. Este tipo de sistemas se denominan semi-activos. Las fuerzas de control en los sistemas semi-activos se aplican como resultado del movimiento propio de la estructura. La fuerza en cuestión puede modificarse únicamente mediante el ajuste de ciertas propiedades mecánicas de los actuadores semi-activos. Además, las fuerzas de control actúan siempre en el sentido de oponerse al movimiento del sistema estructural y por tanto garantizan la estabilidad global de la estructura. Específicamente, los amortiguadores magnetoreològicos (MR) parecen tener un buen potencial para avanzar en la aceptación del control estructural como una forma viable de atenuar el riesgo de las estructuras frente a cargas dinámicas. Sin embargo, debido a la inherente no linealidad de los amortiguadores MR, el primer paso en el diseño de una estrategia de control semi-activo es el desarrollo de un modelo matemático adecuado. Aquí, la identificación de sistemas juega un papel clave. La naturaleza de esta investigación es multidisciplinar porque trata con dos conceptos, la identificación de un dispositivo mecánico (amortiguador MR) y la solución de un problema de control estructural en una perspectiva de ingeniera civil. Como primer paso, se ha desarrollado un nuevo modelo, basado en el modelo Bouc-Wen normalizado, para describir el comportamiento de una gama más amplia de amortiguadores MR, de manera especial los que pueden ser más eficaces en el control de estructuras de ingeniería civil (amortiguadores MR de gran escala). Basado en este modelo, se ha extendido un método de identificación de los parámetros. La validación del método de identificación se ha llevado a cabo sobre un modelo caja negra de un amortiguador MR que es parte de un modelo numérico de edificio muy utilizado como banco de pruebas en la comunidad de investigadores en control estructural. La versatilidad del método se ha probado utilizando el amortiguador de MR en forma semi-activa, con un voltaje variable y operando en el edificio bajo la excitación de terremotos. Posteriormente, basado en el modelo Bouc-Wen extendido, se ha propuesto un nuevo modelo inverso para amortiguadores MR, el cual permite calcular el voltaje requerido para manipular los amortiguadores. Finalmente, se ha presentado una estrategia jerárquica de control semi-activo Esta estrategia consta de cuatro pasos aplicados en tiempo real en cada instante de control: 1. Calcular la fuerza de control deseada global para ser aplicada en la base de la estructura. 2. Determinar la fuerza total que se está aplicando en instante de control actual por el conjunto de amortiguadores MR. Si esta fuerza es más pequeña que la fuerza deseada y tienen el mismo signo, esto significa que los amortiguadores MR necesitan aplicar más fuerza de amortiguamiento y entonces se va al paso 3. De lo contrario el voltaje de los amortiguadores MR se pone en 0. 3. Determinar el número de amortiguadores MR que están aplicando fuerza en la misma dirección que la fuerza de control deseada. 4. Calcular el voltaje a aplicar a cada amortiguador MR usando el modelo inverso. El método (algoritmo) completo se ha simulado en el edificio tridimensional de pruebas utilizado por la comunidad de control estructural como modelo realista para experimentos numéricos de control de la respuesta sísmica. Los índices de rendimiento obtenidos muestran que el método semi-activo propuesto puede mejorar eficazmente el rendimiento del edificio bajo diferentes terremotos. / In structural engineering, one of the constant challenges is to find new better means of protecting structures from destructive environmental forces. One approach is seismic isolation, which has shown to not only reduce the response of the primary structure, but also reduce damage to equipment and other non-structural secondary elements. A drawback of most isolation systems appears when one considers the response of isolated structures subjected to earthquakes characterized by near-field motions. Such motions are likely to produce large isolation deformations, which may lead to buckling or rupture of isolators. To control these large deformations one way is to utilize supplemental dampers together with the isolation system (a hybrid system). However the benefits of isolation system may be significantly reduced for both moderate and strong earthquakes due to the transfer of energy into higher modes which can result in increased interstory drift and floor accelerations. One approach to improve the performance of an isolation system is to incorporate devices within the isolation system whose properties can be adjusted in real-time during earthquakes. Such devices are referred to as semi-active. The control forces in semi-active systems are developed as a result of the motion of the structure itself. They can only be modified through appropriate adjustment of mechanical properties of semi-active devices. Furthermore, the control forces act to oppose the motion of the structural system and therefore promote the global stability of the structure. Specifically the MR dampers appear to have significant potential to advance the acceptance of structural control as a viable means for dynamic hazard mitigation. However, because of the inherent nonlinearity of MR dampers, the first step in the design of a semiactive control is the development of an accurate model of the MR device. The system-identification issue plays a key role in control problems. The nature of this research is multidisciplinary because it deals with two concepts, identification of a mechanical device (MR damper) as well as a structural control problem in a civil engineering perspective. As a first step, a new Bouc-Wen based normalized model has been developed to study the behavior of a wider range of MR dampers, specially the devices which can be more effective in the vibration control of real civil engineering structures (large-scale MR dampers). Based on this new model, an extension of a parameter identification method for MR dampers has been proposed. This extension allows to identify a larger class of MR dampers more accurately. The validation of the parameter identification method has been carried out using a black-box model of an MR damper that is a part of a smart base-isolated benchmark building model available in the community of researchers in structural control. The versatility of the parameter identification method has been tested using the MR damper as a semi-active device under time-varying voltage and earthquake excitation. Then, based on the proposed extended Bouc-Wen based normalized model, a new inverse model for MR dampers has been proposed. If two additional practical physical constraints are satisfied, then the voltage of the MR dampers can be manipulated by the inverse model. Finally, a hierarchical semi-active control strategy for the control of the vibration response of the isolated buildings equipped with a set of parallel MR dampers has been presented. This strategy consists of four steps applied in real time at each control instant: 1. Compute the overall desired control force to be applied at the base of the structure. 2. Determine the total force applied at the current control instant by the set of MR dampers. If this force is smaller than the desired force and they have the same sign, this means that the MR dampers need to apply more damping force and go to step 3. Otherwise the voltage of the MR dampers is set to 0. 3. Determine the number of dampers that are applying force in the same direction as the desired control force. 4. Compute the corresponding command voltage for each MR damper using the inverse model. The whole method is simulated by considering the three-dimensional smart base isolated benchmark building which is also used by the structural control community as a state-of-the-art model for numerical experiments of seismic control attenuation. The resulted performance indices demonstrate that the proposed semi-active method can effectively improve the performance of the building under earthquake loading

The present research commences with a revision of the concepts of hazard, vulnerability, and risk. This is a basic requirement for the construction of the theoretical framework herein developed. A revision of commonly used concepts is offered in order to identify gaps and fine-tune definitions that will help in the search to offer a coherent and integrated theoretical framework. Approaches developed in the natural, applied, and social sciences are discussed and a criticism of these is offered. It is argued that conceptual fragmentation and inconsistency have been two of the reasons why risk reduction has been in good part unsuccessful in a large number of countries. The lack of an adequate conceptual basis has impeded adequate interventions.Risk is understood in terms of potentially dangerous events and the vulnerability of exposed social elements. This type of analysis is linked into decision-making processes, and the difficulties associated with the implementation of risk reduction public policies are made explicit. Inherent uncertainty and reductionist approaches help explain this problem. Moreover, factors such as risk perception of decision-makers; legal contexts that impede preventive actions, and the general problem of levels of risk tolerance and acceptability also come into play.The traditional approach to evaluating urban seismic risk is revised. This involves a consideration of the physical effects and damage to be expected in exposed elements under determined seismic conditions. Modern techniques for seismic vulnerability estimates and knowledge in the area of loss and damage are summarized. And, the better approach to physical urban seismic risk evaluation from the perspective of the author is provided.A coherent and consistent conceptual risk model is provided based on complex non-lineal dynamic systems theory. This allows an explanation of the concept of crisis, instability and adaptability relating this to the concepts of disaster, vulnerability, risk and prevention. Urban centres are seen as complex dynamic systems. Two holistic urban seismic risk-modeling techniques are then proposed. The first methodology is based on relative indicators using hierarchical and pairwise analytical processes. The second methodology employs neural networks and fuzzy sets approaches. The two methodologies take into account the physical, economic, social and institutional variables, which allow a multidisciplinary approach to seismic risk assessment. The methods are subsequently employed in the estimation of seismic risk in the city of Bogotá, Colombia.Finally, a risk management strategy is proposed as a planning tool, and a global proposal is made for facing collective risk, which is a clearly significant contemporary technical and social problem. Recommendations are made, as regards needed future studies and research.