Los hidróxidos de magnesio y de aluminio son unas cargas minerales cuyo uso como carga ignifugante para materiales plásticos, y en particular para polipropileno, es relativamente reciente, aunque en pleno crecimiento debido a la necesidad de sustituir a los ignifugantes tradicionales a base de halógenos. El gran atractivo de estos hidróxidos reside en su total inocuidad así como en un marcado efecto supresor de humo. Sin embargo, para conseguir una ignifugación completa se requieren altos contenidos de carga mineral (hasta el 60% en peso). Tales niveles de concentraciones pueden provocar cambios importantes en las propiedades mecánicas y la resistencia a la fractura del polipropileno, por lo que es importante conocer los mecanismos de deformación y de fractura involucrados para este tipo de material. La presente tesis pretende contribuir al conocimiento microestructural y a los mecanismos de deformación y de fractura de compuestos de polipropileno con hidróxidos de aluminio y de magnesio, moldeados por inyección, con un especial hincapié para la influencia de la concentración de mineral, de la morfología de las partículas y de su tratamiento superficial. Asimismo, se ha pretendido contribuir al desarrollo del método de normalización de la carga como herramienta útil para la caracterización del comportamiento a fractura de polipropileno con carga mineral.Los resultados han mostrado que los hidróxidos estudiados presentan una notable acción de nucleación de la fase del polipropileno, la cual resulta en unas modificaciones importantes de sus propiedades, entre otros, mayor rigidez, mayor resistencia a la cedencia, mayor resistencia térmica y mayor resistencia a la propagación de grieta, incluso para bajas concentraciones de carga (2%). La alta velocidad de deformación del fundido durante el proceso de inyección genera una estructura piel-núcleo en las piezas producidas con un alto grado de orientación de las macromoléculas y las partículas anisotrópicas cerca de la superficie.La incorporación de hidróxido de magnesio o de aluminio resulta en un aumento de la rigidez y una reducción de la resistencia a la tracción y de la deformación. Además, se ha observado que los micromecanismos de deformación plástica evolucionan con el contenido de carga mineral, con una mayor contribución del despegue de la interfaz partícula-matriz y una mayor restricción a la cedencia por cizalla a medida que aumenta el contenido de carga. La resistencia al impacto se ha caracterizado mediante la Mecánica de la Fractura Elástico-Lineal. La presencia de un 40% en peso de partículas rígidas no tratadas no influye significativamente sobre el valor de la tenacidad de fractura, mientras que la energía de fractura disminuye con el contenido de carga mineral, debido a la mayor rigidez de los compuestos.La resistencia a la fractura a baja velocidad de deformación se ha caracterizado mediante el concepto de la integral J. Para ello, se han construido las curvas de resistencia de los materiales preparados mediante el método de normalización de la carga. Se ha procedido a la evaluación de los diferentes procedimientos de aplicación de este método propuestos en la literatura y se ha propuesto un protocolo de aplicación. Las curvas J-R obtenidas han presentado un alto nivel de coincidencia con las obtenidas por el método de múltiple probeta. Se ha observado que la modificación de la estructura de la matriz resulta en una mayor resistencia a la propagación de grieta del material. Por otra parte, se ha observado que para concentraciones mayores de carga mineral, la aplicación de un tratamiento superficial lubricante sobre las partículas resulta en un aumento de la resistencia a la fractura. / The use of magnesium and aluminium hydroxides as flame retardants for polypropylene is recent although it had an important growth due to the necessity to eliminate traditional halogenated flame retardants. The main advantages of these hydroxides are its complete harmlessness and a considerable smoke suppressant effect. However, content levels up to 60 wt-% are required to get a complete flame retardancy. Such mineral filler concentrations can provoke important changes of the mechanical behaviour and of the fracture resistance of polypropylene. For this reason, it is necessary to identify the mechanisms of deformation and fracture implicated for this kind of material.The aim of the present work is to contribute to the knowledge of the microstructure and of the mechanisms of deformation and fracture of compounds of polypropylene filled with magnesium and aluminium hydroxides, prepared by injection-moulding. Special attention is paid on the influence of mineral filler content, the particles morphology and its superficial coating kindness. Another objective of this work is to contribute to the development of the load normalization method as a valid tool for the characterization of the fracture behaviour of mineral filled polypropylene.

La presente Tesis Doctoral se enmarca en el campo de la Ciencia de Materiales, en concreto, en el desarrollo de materiales espumados metálicos con porosidad interconectada (también conocidos como espumas de poro abierto) para aplicaciones de disipación térmica. Dicho desarrollo concierne el prediseño de los materiales, su fabricación y una posterior caracterización microestructural, térmica, fluidodinámica y mecánica. Las espumas metálicas de poro abierto presentan elevada superficie específica por unidad de volumen, baja densidad, gran capacidad de transferencia de calor, así como unas propiedades mecánicas aceptables. La combinación de estas propiedades junto con una estructura porosa interconectada que permite el paso de un fluido a su través hace de estos materiales excelentes candidatos para numerosas aplicaciones en el campo de la electroquímica como electrodos, en catálisis como soportes catalíticos, en ingeniería biomédica donde se utilizan como implantes biocompatibles y biodegradables y en el área de la electrónica como disipadores e intercambiadores de calor. En los últimos años, el control térmico en la industria electrónica, aeronáutica y aeroespacial se ha convertido en un foco de estudio de numerosos autores como consecuencia de los grandes avances tecnológicos actuales, que implican una miniaturización de los equipos electrónicos y un aumento de la potencia y prestaciones de los mismos. En condiciones normales de operación, los equipos más modernos generan grandes excesos de calor que deben ser eliminados con el fin de evitar fallos y roturas de los empaquetados electrónicos. La arquitectura de estos empaquetados electrónicos, en su forma más simple, consiste en un chip de silicio (foco emisor de calor) seguido de un material cerámico que cumple la función de aislante eléctrico (normalmente, de AlN) y de dos tipos de materiales responsables de eliminar los excesos de calor. Por un lado, se emplean los conocidos disipadores pasivos, caracterizados por presentar elevada conductividad térmica y bajo coeficiente térmico de expansión. Estos componentes conducen el calor a través de su estructura hasta zonas más alejadas donde se localiza un disipador activo. Los materiales compuestos metal/cerámica, como aluminio/diamante y aluminio/grafito, son buenos ejemplos de disipadores de calor pasivos. Numerosos autores revelaron que las prestaciones de estos materiales pueden ser mejoradas mediante la nanoingeniería interfacial matriz-refuerzo, dando lugar a materiales compuestos de conductividad térmica superior, bajos coeficientes térmicos de expansión y, en ocasiones, propiedades mecánicas mejoradas. Por otro lado, los disipadores activos se encargan de transportar el calor por conducción a través de la estructura sólida del material y transferirlo por convección a un fluido en movimiento a través de su estructura interna que lo elimina al medio. Los disipadores activos más comunes son los conocidos disipadores de aletas de aluminio. En ocasiones, estos son sustituidos por espumas metálicas de poro abierto puesto que presentan una mayor área específica, elevado coeficiente térmico de transferencia, así como una buena conductividad térmica y densidad reducida. Existen dos estrategias para la generación de porosidad en espumas de poro abierto: i) autoformación, según la cual la porosidad se genera mediante un proceso de evolución regido por los principios físicos, y ii) prediseño, donde la estructura se crea de forma más controlada con el uso de moldes mártir que determinan las cavidades porosas. Las técnicas de fabricación de espumas de poro abierto en las que la generación de porosidad se controla empleando una estrategia de prediseño pueden clasificarse en cuatro grupos atendiendo al estado del material precursor: líquido, sólido, vapor e iones. Cuando el material precursor se encuentra en estado líquido, las técnicas de procesado más importantes son la colada a molde perdido de espumas poliméricas y la colada alrededor de partículas o infiltración sobre preformas mártir. Si el procesado se lleva a cabo con un precursor en estado sólido, pueden destacarse técnicas como: sinterización parcial de polvos y fibras, presurización y sinterización de polvos en preformas mártir, sinterización de esferas huecas, sinterización de polvos y aglutinantes, o reacción de sistemas multicomponentes. Así mismo, el procesado de espumas en estado vapor e iónico concierne la deposición de vapor y electrodeposición, respectivamente, del material precursor sobre espumas poliméricas. De entre la amplia variedad de técnicas de fabricación, la infiltración de preformas mártir, también conocida como método de replicación, resulta ser la más interesante puesto que permite el mejor control sobre el material. Este método ha sido utilizado tradicionalmente para la obtención de espumas metálicas de poro abierto. El método de replicación consiste en producir una preforma porosa, normalmente de partículas empaquetadas, con un agente plantilla (cloruro de sodio, carbón, etc.) que posteriormente es infiltrada con metal fundido o cualquier otro líquido precursor de la matriz para producir un material compuesto. Tras la solidificación del líquido precursor, esta es eliminada o bien por disolución o bien por reacción química controlada (por ejemplo, combustión) para dejar una estructura porosa interconectada que puede ser considerada como el "negativo" de la preforma inicial. Este método tiene la ventaja de ser suficientemente versátil como para permitir el control de la fracción de volumen, el tamaño, la forma y la distribución del tamaño de los poros. Con este control preciso, las propiedades de las espumas fabricadas pueden ser ajustadas fácilmente al intervalo deseado. Dependiendo del material precursor y de la arquitectura porosa final deseada, diferentes materias primas han sido empleadas para la preparación de preformas mártir. No obstante, el material más utilizado es el cloruro de sodio (NaCl) en forma de partículas, que puede ser convenientemente empaquetado e infiltrado con precursores líquidos a temperaturas inferiores a su punto de fusión (801°C) y luego eliminado por disolución en soluciones acuosas. Las espumas metálicas obtenidas por el método de replicación se caracterizan por presentar baja porosidad (menor al 70%), dando lugar a materiales con caídas de presión más elevadas que las espumas metálicas comerciales, pero con una clara ventaja frente a estas: la habilidad de disipar grandes cantidades de flujo de calor como consecuencia de una elevada fracción de volumen de metal. Una revisión bibliográfica de los últimos años revela que diversos autores han adoptado la estrategia de incorporar nuevas fases a las espumas de poro abierto, ya que parece ser una forma adecuada de superar los requisitos de muchas aplicaciones tales como las estructurales, catalíticas, electroquímicas y biomédicas. Sin embargo, existen escasos antecedentes donde se contemple dicha estrategia para modificar materiales aplicados al control térmico activo. A pesar de los grandes atributos que presentan las espumas metálicas tradicionales utilizadas para disipación térmica, el acelerado crecimiento tecnológico hace que sus prestaciones sean insuficientes para cumplir con los requisitos de los equipos electrónicos más avanzados. Existe, por tanto, la necesidad de reformular sus diseños con el fin de potenciar sus propiedades. A la vista de dicha problemática actual, surge el desarrollo de la presente Tesis Doctoral, cuyas hipótesis se plantean a continuación: 1. Las espumas metálicas, ampliamente utilizadas para disipación térmica, presentan propiedades que han limitado su uso en las tecnologías emergentes, de modo que sus diseños han de ser reformulados. La estrategia de incorporar nuevas fases en la matriz estructural de las espumas metálicas parece ser la forma más adecuada para ampliar su aplicabilidad. 2. El método de replicación, comúnmente utilizado para la fabricación de espumas metálicas de poro abierto, es suficientemente versátil como para permitir un control sobre la estructura porosa del material final. La utilización de preformas mártir para la generación de porosidad a partir de un agente plantilla, permite que la incorporación de nuevas fases en el empaquetado sea completamente viable, siempre que se tengan en consideración ciertos aspectos de diseño. Ejemplo de ellos son, entre muchos, que las fases incorporadas no rompan la coordinación de las partículas del agente plantilla de tal modo que impidan la eliminación de estas tras la infiltración, evitando así la interconexión entre poros en el material final; o bien que el sistema matriz-inclusión presente una mala interfase térmica y/o mecánica. 3. La utilización de refuerzos de base carbono en materiales compuestos de matriz aluminio, tales como copos de grafito o diamante, han proporcionado conductividades térmicas muy superiores a los materiales monolíticos análogos, de modo que pueden considerarse como potenciales inclusiones térmicas en espumas metálicas de poro abierto. 4. Puesto que la eliminación de calor en los disipadores activos ocurre por un mecanismo de conducción/convección forzada, los materiales con mayor conductividad térmica serán capaces de conducir el calor de forma más efectiva hasta zonas más alejadas del foco emisor de calor, que posteriormente será transportado por un fluido para eliminarlo al medio. Por ello, se espera que las espumas metálicas de poro abierto con inclusiones térmicas de base carbono den lugar a potencias disipadas superiores en comparación con las espumas metálicas tradicionales. En base a estas hipótesis, se formulan los siguientes objetivos generales: 1. Desarrollo de espumas de aluminio de poro abierto que contengan copos de grafito como inclusiones térmicas (espumas de material compuesto aluminio/copos de grafito) y evaluación de su aplicabilidad en el campo de la disipación térmica activa. 2. Desarrollo de espumas de aluminio de poro abierto que contengan partículas de diamante como inclusiones térmicas (espumas de material compuesto aluminio/diamante) y evaluación de su aplicabilidad en el campo de la disipación térmica activa. 3. Empleo de la nanoingeniería interfacial con el fin de modificar las propiedades de las espumas de aluminio de poro abierto con inclusiones térmicas de base carbono (copos de grafito y partículas de diamante) y evaluación de su aplicabilidad en el campo de la disipación térmica activa.

[EN] This PhD Thesis is aimed at widening and improving the existing knowledge on the relationships between structure and uni-axial compression mechanical properties of aluminium foams obtained by the melting route. Aluminium foams, like other cellular materials, show high specific stiffness and mechanical strength, and are able to absorb energy under compression loads by plastic collapse. They are fire resistant and more isotropic than honeycomb structures. These characteristics justify recent industrial and scientific interest on manufacture and applications of metal foams in crash protection systems for vehicles or in lightweight modular structures. Despite their potential advantages, existing foams still show limitations compared to other cellular materials due to high manufacturing costs, the difficulty to obtain higher and more reproducible mechanical properties and the limited knowledge on the stabilization mechanisms and on the control of the structure. Experimental work has been carried out on aluminium foams obtained by the melting route, stabilized with calcium and foamed by addition of TiH2. In contrast with other studies, the extent of the structural characterization has spread from microstructure to the global macro-structure of the foam, providing a more complete picture of the phenomena that control the structure and properties. Cellular structure has been analysed by original image analysis techniques, determining the main parameters of the foam: thicknesses, material distribution, cell sizes and preferential orientations. Macrostructural analysis allowed determining the existence of a systematic and reproducible density gradient in the vertical direction, associated with the increase of cell edge thickness due to gravitational drainage. The foam Al-Ca-Ti alloy has been analysed and characterized, identifying the intermetallics that play the role of stabilizing agents during foaming. As original contribution, tensile mechanical testing of the solid material has been performed. Mechanical strength and energy absorption have been evaluated by compression testing at room and high temperature. Structural anisotropy and density gradients allowed quantifying and justifying deviations in mechanical properties for samples with similar density, allocated in previous studies to random effects. Density gradients in foam panels influence as well the slope of the stress-strain curve in the plastic zone and as a consequence, the efficiency in energy absorption, generating a predictable and measurable scale effect. Strength values measured experimentally have been checked against Gibson and Ashby classic dimensional models, concluding that these cannot predict correctly the mechanical behavior of closed cell aluminium foams. As an alternative, optimized models incorporating the effect of material ratio in cell edges as a function of relative density have been proposed, allowing the correct prediction of strength and the potential effects of the foam relative density. As an original contribution for the analysis of the energy absorption properties, the use of "diagrams of energy absorption per unit of stress" is suggested, allowing the determination of the optimum design strength and strain values for impact protection in a quicker and easier way than previously existing procedures. Finally, FEM simulation has been carried out for the analysis of the effects of wall thickness dispersion and structural anisotropy on collapse stresses. / [ES] Esta tesis tiene como principal objetivo mejorar y ampliar el conocimiento existente sobre las relaciones entre la estructura de las espumas de aluminio de poro cerrado obtenidas por fusión y las propiedades mecánicas bajo cargas de compresión uniaxial. Las espumas de aluminio, como otros materiales celulares, presentan elevadas propiedades específicas de rigidez y resistencia mecánica, así como una elevada absorción de energía bajo cargas de compresión. Presentan mayor resistencia al fuego que las espumas poliméricas y un comportamiento más isótropo que las estructuras de tipo panal. Estas características justifican el reciente interés industrial y científico sobre tecnologías de obtención y sobre aplicaciones en sistemas de protección contra impacto en vehículos o en construcciones modulares ligeras. A pesar de sus ventajas potenciales, las espumas disponibles presentan todavía limitaciones frente a otros materiales celulares debido al alto coste de obtención, a la dificultad de obtener propiedades mecánicas más elevadas y reproducibles, y a las limitaciones del conocimiento existente sobre los mecanismos de estabilización y sobre el control de la estructura. El trabajo experimental se ha llevado a cabo sobre espumas de aluminio obtenidas por fusión, estabilizadas mediante adición de calcio y espumadas internamente mediante TiH2. Frente a otros trabajos, en esta Tesis el alcance de la caracterización estructural se ha extendido desde la microestructura a la macro-estructura global de la espuma, aportando una visión más completa de los fenómenos que controlan la estructura y las propiedades. La estructura celular ha sido analizada mediante técnicas originales de análisis de imagen, determinando los parámetros significativos: espesores, distribución del material, tamaños de celda y orientaciones preferentes. El análisis macroestructural ha permitido determinar la existencia de un gradiente sistemático y reproducible de densidad en sentido vertical, asociado al incremento de los espesores de bordes que genera el drenaje gravitacional. Se ha analizado y caracterizado la aleación Al-Ca-Ti que forma la espuma, identificando los intermetálicos que actúan como estabilizadores, y con carácter original, se han llevado a cabo ensayos de tracción del material sólido. La resistencia y la absorción de energía se han evaluado mediante ensayos de compresión a temperatura ambiente y a alta temperatura. La anisotropía estructural y los gradientes de densidad han permitido cuantificar y justificar las desviaciones en los valores de resistencia observados para muestras de similar densidad, que en otros trabajos se atribuyen a efectos aleatorios. La existencia de gradientes de densidad en los paneles afecta además a la pendiente de la curva tensión-deformación en la zona plástica y a la eficiencia en la absorción de energía, generando un efecto de escala que resulta predecible y cuantificable. Los valores de resistencia medidos experimentalmente se han contrastado frente a los modelos dimensionales clásicos propuestos por Gibson y Ashby, concluyendo que dichos modelos no predicen correctamente el comportamiento de las espumas de aluminio de poro cerrado. Como alternativa se proponen modelos optimizados que incorporan los efectos de la fracción de material en bordes sobre la densidad, y que permiten predecir correctamente tanto los niveles de resistencia como los efectos potenciales de la densidad relativa. Con carácter original, para el análisis de las propiedades de absorción de energía se propone el uso de "diagramas de absorción de energía específica por unidad de tensión", que permiten determinar el punto óptimo de utilización de las espumas de modo más rápido y eficiente que otros procedimientos ya disponibles. Finalmente, se ha llevado a cabo mediante simulación MEF un análisis de los efectos que la dispersión de espesores de paredes y la anisotropía t / [CA] Aquesta tesi té com a principal objectiu millorar i ampliar el coneixement existent sobre les relacions entre l'estructura de les escumes d'alumini de porus tancat obtingudes per fusió i les propietats mecàniques sota càrregues de compressió uniaxial. Les escumes d'alumini, com altres materials cel·lulars, presenten elevades propietats específiques de rigidesa i resistència mecànica, així com una elevada absorció d'energia sota càrregues de compressió. Presenten major resistència al foc que les escumes polimèriques i un comportament més isòtrop que les estructures de niu d'abella. Aquestes característiques justifiquen el recent interès industrial i científic sobre tecnologies d'obtenció i sobre aplicacions en sistemes de protecció contra impacte en vehicles o en construccions modulars lleugeres. Malgrat els seus avantatges potencials, les escumes disponibles presenten encara limitacions enfront d'altres materials cel·lulars a causa de l'alt cost d'obtenció, a la dificultat d'obtenir propietats mecàniques més elevades i reproduïbles, i a les limitacions del coneixement existent sobre els mecanismes d'estabilització i sobre el control de l'estructura. El treball experimental s'ha dut a terme sobre escumes d'alumini obtingudes per fusió, estabilitzades mitjançant addició de calci i escumejades internament mitjançant TiH2. Enfront d'altres treballs, en aquesta Tesi l'abast de la caracterització estructural s'ha estès des de la microestructura a la macro-estructura global de l'escuma, aportant una visió més completa dels fenòmens que controlen l'estructura i les propietats. L'estructura cel·lular ha sigut analitzada mitjançant tècniques originals d'anàlisis d'imatge, determinant els paràmetres significatius: espessors, distribució del material, grandàries de cel·la i orientacions preferents. L'anàlisi macro-estructural ha permès determinar l'existència d'un gradient sistemàtic i reproduïble de densitat en sentit vertical, associat a l'increment dels espessors de vores que genera el drenatge gravitacional. S'ha analitzat i caracteritzat l'aliatge Al-Ca-Ti que forma l'escuma, identificant els intermetàl·lics que actuen com a estabilitzadors, i amb caràcter original, s'han dut a terme assajos de tracció del material sòlid. La resistència i l'absorció d'energia s'han avaluat mitjançant assajos de compressió a temperatura ambient i a alta temperatura. L'anisotropia estructural i els gradients de densitat han permès quantificar i justificar les desviacions en els valors de resistència observats per a mostres de similar densitat, que en altres treballs s'atribueixen a efectes aleatoris. L'existència de gradients de densitat en els panells afecta a més al pendent de la corba tensió-deformació en la zona plàstica i a l'eficiència en l'absorció d'energia, generant un efecte d'escala que resulta predictible i quantificable. Els valors de resistència mesurats experimentalment s'han contrastat enfront dels models dimensionals clàssics proposats per Gibson i Ashby, concloent que aquests models no prediuen correctament el comportament de les escumes d'alumini de porus tancat. Com a alternativa es proposen models optimitzats que incorporen els efectes de la fracció de material en vores sobre la densitat, i que permeten predir correctament tant els nivells de resistència com els efectes potencials de la densitat relativa. Amb caràcter original, per a l'anàlisi de les propietats d'absorció d'energia es proposa l'ús de "diagrames d'absorció d'energia específica per unitat de tensió", que permeten determinar el punt òptim d'utilització de les escumes de manera més ràpida i eficient que altres procediments ja disponibles. Finalment, s'han dut a terme mitjançant simulació MEF anàlisis dels efectes que la dispersió d'espessors de parets i l'anisotropia tenen sobre les tensions de col·lapse. / Cárcel González, B. (2016). Efectos de la estructura celular sobre el comportamiento mecánico de espumas de aluminio de poro cerrado obtenidas por fusión. Aplicación en absorbedores de energía [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61298

Tesis por compendio / [ES] La construcción con elementos prefabricados de hormigón es un sector en alza por la aceleración del proceso constructivo, el ahorro de costes derivados de la obra in situ y la mejora de la calidad y acabados, entre otros. En la construcción prefabricada de estructuras de ingeniería civil como puentes y edificios es frecuente el empleo de vigas prefabricadas de hormigón. La construcción con estas vigas requiere el vertido de una capa de hormigón in situ sobre las mismas tras su emplazamiento, que sirve como elemento integrador para garantizar la unidad estructural. Los elementos estructurales que se obtienen de esta forma son conocidos como vigas compuestas de hormigón. En vigas compuestas, aspectos como la resistencia a rasante de la interfaz entre hormigones han sido estudiados en numerosas publicaciones. No obstante, su comportamiento a cortante no ha sido, por el momento, analizado en profundidad. En consecuencia, existe muy poca información, tanto en la literatura existente como en los códigos de diseño actuales, acerca de la resistencia a cortante de estos elementos, de cómo influye la presencia de una interfaz entre los hormigones en la resistencia a cortante o de cómo contribuye la losa hormigonada in situ a dicha resistencia. La presente tesis doctoral tiene como objetivo estudiar la resistencia a cortante de vigas compuestas de hormigón. Para ello, se desarrolla un extenso programa experimental compuesto por vigas monolíticas y compuestas con y sin armadura transversal, con sección transversal rectangular o en forma de T y con hormigones de diferentes calidades en la viga prefabricada y en la losa hormigonada in situ. Se ensaya a cortante un total de 69 vigas de hormigón armado con el fin de analizar las diferentes variables de interés en la resistencia a cortante. A partir de los resultados experimentales, se propone un modelo mecánico de predicción de la resistencia a cortante de vigas compuestas de hormigón con sección transversal rectangular y en forma de T, que también es de aplicación a vigas monolíticas en T. Además, como apoyo al estudio experimental y al modelo mecánico, se modelan numéricamente algunos especímenes del programa experimental. Con todo ello, se busca incrementar el estado actual del conocimiento en este campo, mediante el aporte de un gran número de resultados experimentales y el análisis de los parámetros de diseño, así como sentar las bases para el desarrollo de una formulación de diseño de estructuras compuestas y de evaluación de las ya existentes globalmente aceptada por la comunidad científica. / [CA] La construcció amb elements prefabricats de formigó és un sector en alça per l'acceleració del procés constructiu, l'estalvi de costos derivats de l'obra in situ i la millora de la qualitat i acabats, entre altres. En la construcció prefabricada d'estructures d'enginyeria civil com a ponts i edificis és freqüent l'ús de bigues prefabricades de formigó. La construcció amb aquestes bigues requereix l'abocament d'una capa de formigó in situ sobre les bigues després del seu emplaçament, que serveix com a element integrador per a garantir la unitat estructural. Els elements estructurals que s'obtenen d'aquesta forma són coneguts com a bigues compostes de formigó. En bigues compostes, aspectes com la resistència a rasant de la interfície entre formigons han sigut estudiats en nombroses publicacions. No obstant això, el seu comportament a tallant no ha sigut, de moment, analitzat en profunditat. En conseqüència, existeix molt poca informació, tant en la literatura existent com en els codis de disseny actuals, sobre la resistència a tallant d'aquests elements, de com influeix la presència d'una interfície entre els formigons en la resistència a tallant o de com contribueix la llosa formigonada in situ a aquesta resistència. La present tesi doctoral té com a objectiu estudiar la resistència a tallant de bigues compostes de formigó. Per a això, es desenvolupa un extens programa experimental compost per bigues monolítiques i compostes amb armadura transversal i sense, amb secció transversal rectangular o en forma de T i amb formigons de diferents qualitats en la biga prefabricada i en la llosa formigonada in situ. S'assaja a tallant un total de 69 bigues de formigó armat amb la finalitat d'analitzar les diferents variables d'interés en la resistència a tallant. A partir dels resultats experimentals, es proposa un model mecànic de predicció de la resistència a tallant de bigues compostes de formigó amb secció transversal rectangular i en forma de T, que també és aplicable a bigues monolítiques en T. A més, com a suport a l'estudi experimental i al model mecànic, es modelen numèricament alguns espècimens del programa experimental. Amb tot això, es pretén incrementar l'estat actual del coneixement en aquest camp, mitjançant l'aportació d'un gran nombre de resultats experimentals i l'anàlisi dels paràmetres de disseny, així com establir les bases per al desenvolupament d'una formulació de disseny d'estructures compostes i d'avaluació de les ja existents globalment acceptada per la comunitat científica. / [EN] Construction with precast concrete elements is a booming sector due to the acceleration of the construction process, the saving of costs arising from the on-site construction and the quality and finish improvement, among others. Precast concrete beams are frequently used in the precast construction of civil engineering structures such as bridges and buildings. Construction with these beams requires the pouring of a cast-in-place concrete layer on top of the beams after their placement, which works as a unifying element to ensure structural integrity. Structural elements obtained in this way are known as concrete composite beams. In composite beams, some aspects such as the shear strength of the interface between concretes have been studied in multiple publications. However, their shear behaviour has not yet been analysed in depth. Consequently, there is very little information, both in the existing literature and in current design codes, about the shear strength of these elements, how the presence of an interface between the concretes influences the shear strength or how the cast-in-place concrete slab contributes to the shear strength. The aim of this doctoral thesis is to study the shear strength of concrete composite beams. For this purpose, an extensive experimental programme is developed, consisting of monolithic and composite beams with and without transverse reinforcement, with rectangular or T-shaped cross-section and with concretes of different qualities in the precast beam and in the slab. A total of 69 reinforced concrete beams are tested under shear forces in order to analyse the different variables of interest in shear strength. Based on the experimental results, a mechanical model for predicting the shear strength of concrete composite beams with rectangular and T-shaped cross-section is proposed, which is also applicable to monolithic T-beams. In addition, to support the experimental study and the mechanical model, some specimens of the experimental programme are numerically modelled. All in all, the aim is to improve the current state of knowledge in this field by providing a large number of experimental results and analysing the design parameters, as well as to lay the foundations for the development of a formulation for the design of existing structures and the assessment of existing ones that is globally accepted by the scientific community. / The present doctoral thesis would not have been possible without the financial support of the Ministerio de Ciencia e Innovación (MCIN) and the Agencia Estatal de Investigación (AEI) through Grants BIA2015-64672-C4-4-R and RTI2018- 099091-B-C21-AR, both funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the “ERDF A way of making Europe”. I am thankful as well for their support through Grant BES-2016-078010 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the “ESF Investing in your future”. The project was also supported by the Regional Government of Valencia through Project AICO/2018/250. And finally, thanks to the Concrete Science and Technology University Institute (ICITECH) of the Universitat Politècnica de València (UPV; Spain) in which this research project has been developed, and to our concrete supplier Caplansa. / Rueda García, L. (2022). Experimental Assessment of the Shear Resistant Behaviour of Precast Concrete Beams with Top Cast-in-Place Concrete Slab [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183594 / Compendio

[ES] En esta tesis, el principal objetivo es analizar el efecto de la osteoporosis en el comportamiento mecánico del hueso trabecular. El comportamiento del hueso trabecular se ha abordado desde diferentes enfoques: ensayos experimentales, modelos de elementos finitos (EF) e imagen médica obtenida por micro-CT. El impacto de la osteoporosis se ha estudiado en distintas escalas. Se ha abordado un estudio a nivel de tejido lamelar del hueso trabecular para estimar las ecuaciones que nos permitan definir las propiedades elásticas y resistentes en función de la densidad mineral ósea y la porosidad del tejido. Estas ecuaciones inferidas en los modelos de EF permitirán estudiar el comportamiento del tejido óseo lamelar abarcando un amplio rango de porosidades y DMOs. Se ha realizado un estudio de la estructura trabecular y del tejido lamelar utilizando un estereomicroscopio y el FESEM. Al nivel del tejido lamelar, se ha podido observar la disposición de las lamelas en distintas localizaciones, como en las trabéculas y sus intersecciones. Además, se ha podido evaluar la porosidad tisular natural y la producida por enfermedades óseas. Esta información se ha introducido en los modelos EF para definir las propiedades en las muestras. Las ecuaciones elásticas y resistentes estimadas consideran un comportamiento ortótropo y es posible cuantificar cómo afectan la DMO y la porosidad a estas propiedades. Se ha estudiado el comportamiento mecánico a compresión de muestras humanas de hueso trabecular procedente de cabezas femorales. Estas muestras se clasifican en tres grupos: sano, artrósico y osteoporótico. Estas muestras se han estudiado mediante ensayos experimentales, imagen médica y modelos de EF, permitiendo obtener gran información sobre el comportamiento mecánico del hueso. La respuesta mecánica está muy influenciada por la microarquitectura trabecular. Los resultados obtenidos más relevantes son el módulo aparente, la tensión de fallo y la deformación de fallo. Se han podido generar modelos de EF y estudiar la morfometría de las muestras. Los modelos de EF han permitido estimar las propiedades a nivel de tejido: módulo de Young a nivel de tejido y las deformaciones de fluencia y fallo. Los resultados muestran que a nivel de tejido no se aprecian variaciones en el módulo de Young aunque el hueso presente una patología ósea. Un comportamiento de fluencia similar se ha observado para todos los grupos, con diferencias únicamente en la deformación de fallo. El estudio morfométrico permite analizar los parámetros morfométricos que diferencian las muestras sanas de las enfermas. Se han correlacionado dichos parámetros con la respuesta mecánica para analizar los que tienen mayor influencia sobre ella. Las correlaciones permiten estimar la respuesta mecánica del hueso utilizando imagen médica sin realizar ensayos experimentales. Los parámetros obtenidos de la respuesta mecánica también se han relacionado entre sí, permitiendo conocer el comportamiento de cada una de las muestras que es diferente según la enfermedad que padecen. También, se han estudiado muestras bioinspiradas y estructuras TPMS obtenidas mediante fabricación aditiva. Estas muestras se han fabricado con PLA como material de impresión. Las muestras muestran un comportamiento ortótropo como las muestras trabeculares. Los simulantes pueden ser utilizados para hacer estudios previos cuando no se disponga de las muestras óseas. El tratamiento de fracturas óseas de gran tamaño requiere de técnicas no convencionales para la fijación del hueso. Suelen utilizarse andamios óseos con triple periodicidad que tienen como resultado propiedades ortótropas iguales en las tres direcciones ortogonales. Estos sistemas deben disponer de rigideces similares al hueso alrededor del defecto para evitar el aflojamiento del implante. Por ello, se propone una metodología que permite diseñar andamios óseos paciente-específicos que permiten ajustar las propiedades mecánicas ortótropas en función del hueso. / [CA] En esta tesi, el principal objectiu és analitzar l'efecte de l'osteoporosi en el comportament mecànic de l'os trabecular. El comportament de l'os trabecular s'ha abordat des de diferents plantejaments, com són els assajos experimentals, els models d'elements finits (EF) i la imatge mèdica obtinguda per micro-CT. L'impacte de l'osteoporosi s'ha estudiat en diferents escales. En primer lloc, s'ha abordat un estudi a nivell de teixit lamellar de l'os trabecular per a estimar les equacions que ens permeten definir les propietats elàstiques i resistents en funció de la densitat mineral òssia i la porositat del teixit. Estes equacions inferides en els models d'EF permetran estudiar el comportament del teixit ossi lamel·lar abastant un ampli rang de porositats i DMOs. S'ha realitzat un estudi de l'estructura trabecular i del teixit lamel·lar utilitzant un estereomicroscopi i el FESEM. Al nivell del teixit lamel·lar, s'ha pogut observar la disposició de les lamel·les en diferents localitzacions, com en les trabècules i les seues interseccions. A més, s'ha pogut avaluar la porositat tissular natural i la produïda per malalties òssies. Tota esta informació ha sigut incorporada als models numèrics per a poder definir les propietats en les mostres trabeculars. Les equacions elàstiques i resistents estimades consideren un comportament ortòtrop i és possible quantificar com afecten la DMO i la porositat a estes propietats. S'ha estudiat el comportament mecànic a compressió de mostres humanes d'os trabecular procedent de caps femorals i s'han classificat en tres grups: sa, artròsic i osteoporòtic. S'han estudiat mitjançant assajos experimentals, imatge médica i models d'EF, obtenint gran informació sobre el comportament mecànic de l'os. La resposta mecànica està fortament influenciada per la microarquitectura trabecular. Els resultats obtinguts més importants són el mòdul aparent, la tensió de fallada i la deformació de fallada. S'han generat models d'EF i estudiat la morfometria. Els models d'EF han permés estimar les propietats a nivell de teixit: el mòdul de Young a nivell de teixit i les deformacions de fluència i fallada. A nivell de teixit no s'aprecien variacions en el mòdul de Young encara que l'os present una patologia òssia. Un comportament de fluència similar s'ha observat per a tots els grups, amb diferències únicament en la deformació de fallada. L'estudi de la morfometria ha permés analitzar els paràmetres morfomètrics que diferencien les mostres sanes de les malaltes, i fins i tot a diferenciar entre diferents patologies. S'han correlacionat estos paràmetres amb la resposta mecànica per a analitzar aquells que tenen major influència sobre ella. Les correlacions obtingudes permeten estimar la resposta mecànica de l'os trabecular utilitzant les imatges micro-CT sense necessitat de realitzar assajos experimentals. Els paràmetres obtinguts de la resposta mecànica també s'han relacionat entre si. Estes relacions permeten conéixer el comportament de cadascuna de les mostres que és diferent segons la malaltia que patixen. També, s'han estudiat mostres bioinspirades i estructures TPMS obtingudes mitjançant fabricació additiva. Estes mostres bioinspirades s'han fabricat amb PLA com a material d'impressió. Les mostres mostren un comportament ortòtrop com les trabeculars. Estos simulants poden ser utilitzats per a fer estudis previs quan no es dispose de les mostres òssies. El tractament de fractures òssies de gran grandària requerix de tècniques no convencionals per a la fixació de l'os. Solen utilitzar-se bastides òssies amb triple periodicitat que tenen com a resultat propietats ortòtropes iguals en les tres direccions ortogonals. Estos sistemes han de disposar de rigideses similars a l'os en el veïnatge del defecte per a evitar l'afluixament de l'implant. S'ha proposat una metodologia que permet dissenyar bastides òssies pacient-específics que permeten ajustar les propietats mecàniques ortòtropes en cada direcció en funció de l'os. / [EN] The main objective of this thesis is to analyse the effect of osteoporosis on the mechanical behaviour of cancellous bone. The behaviour of cancellous bone has been addressed through different approaches: experimental tests, finite element (FE) models and medical imaging obtained by micro-CT. The impact of osteoporosis has been studied on different scales. Firstly, a study has been undertaken at the lamellar tissue level of trabecular bone to estimate the equations that define the elastic and strength properties as a function of bone mineral density and tissue porosity. These equations are inferred from FE models and allow us to characterise the behaviour of lamellar bone tissue covering a wide range of porosities and BMDs. A study of the cancellous structure and lamellar tissue has been carried out using a stereomicroscope and FESEM. At lamellar tissue level, it was possible to observe the arrangement of lamellae in different locations, such as trabeculae and at their intersections. In addition, it has been possible to evaluate the natural tissue porosity and that produced by bone diseases. All this information has been incorporated to the numerical models in order to define the properties of cancellous bone samples. The estimated elastic and strength equations consider an orthotropic behaviour and it is possible to quantify how BMD and porosity affect these properties. On the other hand, the mechanical behaviour under compression of human trabecular bone samples from femoral heads has been studied. These samples are classified into three study groups: healthy, osteoarthrosic and osteoporotic. The samples have been studied using experimental tests, medical imaging obtained and FE models, enabling to obtain a great deal of information regarding the mechanical behaviour of the bone. The trabecular microarchitecture strongly influences the mechanical response. The most important results obtained are the apparent modulus, the failure stress and the failure strain. It was possible to generate FE models and study the morphometry of the specimens. The FE models have made it possible to estimate the properties at the tissue level. The results revealed that at the tissue level, Young's modulus does not vary appreciably, even if the bone shows bone pathology. A similar yield behaviour is observed for all groups, with differences only in the final failure strain. The morphometry study has enabled to analyse the morphometric parameters that differentiate between healthy and diseased specimens and even to differentiate between different pathologies. The morphometric parameters have been correlated with the mechanical response to analyse those that have the most significant influence on the mechanical response. The correlations obtained make it possible to estimate the mechanical response of trabecular bone using micro-CT images without the need for experimental tests. The parameters obtained from the mechanical response have also been related. These relationships permit to know the behaviour of each of the samples, which is different depending on the disease they suffer. Finally, bioinspired samples and minimal surface area triple periodic structures obtained by additive manufacturing have been studied. These samples are made of PLA as the printing material. The samples show a similar orthotropic behaviour to the trabecular samples. These simulants can be used for pre-studies when bone samples are not available. The treatment of large bone fractures requires unconventional techniques for bone fixation. Bone scaffolds with triple periodicity that result in equal orthotropic properties in all three orthogonal directions are often used. These systems must have bone-like stiffness in the vicinity of the defect to avoid implant loosening. To this end, a methodology has been proposed to design patient-specific bone scaffolds that allow the orthotropic mechanical properties in each direction to be calibrated according to a specific bone. / The author and the supervisors of this PhD thesis acknowledge the Ministerio de Ciencia e Innovación y Universidades and the European Regional Development Fund (FEDER) for the financial support received through the projects PID2020-118920RB-I00 and PID2020-118480RB-C21 and C22 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, and the Generalitat Valenciana for Plan FDEGENT 2018 and Programa PROMETEO/2021/046. / Megías Díaz, R. (2024). Analysis of osteoporosis effect on the mechanical behaviour and morphometry of human cancellous bone [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/206355