Departament d'Enginyeria Civil i Ambientalhttp://hdl.handle.net/2117/964162024-03-28T20:26:23Z2024-03-28T20:26:23ZWIM-based modelling of traffic load scenarios for extreme load effects in long-span bridgesWang, Xuejinghttp://hdl.handle.net/2117/4047852024-03-18T09:10:12Z2024-03-17T19:32:10ZWIM-based modelling of traffic load scenarios for extreme load effects in long-span bridges
Wang, Xuejing
(English) During the lifetime of long-span bridges, the traffic conditions are affected by the surroundings and will typically vary and also unpredictably change. In this thesis, a prior site-specific traffic load spatial distribution model and its updated posterior version considering actual traffic conditions via Bayesian inference were proposed. This thesis mainly contains three aspects of research.
Firstly, a probabilistic Gaussian mixture model for heavy vehicle scenarios on the bridge deck under free-flow condition is proposed for long-span bridges based on collected WIM data. A non-stationary Poisson process is utilized to simulate the uneven occurrence of heavy vehicles in different lanes, and it is assumed that they are located within the artificially defined cells on the bridge deck. Then, Nataf transformation is employed to consider the correlation of gross vehicle weights (GVWs) within close range in the same lane. The Monte Carlo method is employed with the proposed probabilistic model for modeling complex spatial distributions of heavy vehicles.
Secondly, due to the fact that the traffic conditions are affected by the surroundings and will typically vary and also unpredictably change during the lifetime of long-span bridges, the prior site-specific traffic load spatial distribution model and its updated posterior version considering actual traffic conditions via Bayesian inference are proposed. A Bayesian inference approach is developed for the updating of spatial load distribution in the extremes LE scenarios utilizing the particle filter (PF). The updated load profile and corresponding load intensity for different traffic states proposed in this thesis, can be the basis to define accurate traffic load models for long-span bridges.
Finally, the application of the proposed methodology to a real bridge is presented. The effects of correlation in GVWs and stationarity of vehicle distribution location on the structural responses are investigated and discussed. The load responses calculated by the proposed model and Monte Carlo method for different effects are compared with the values derived from the code model. The results show that with the increase of the correlation level of the neighboring GVWs, the simulated responses are more prone to get extreme values, which means an increasing probability of the most unfavorable spatial distribution of on-bridge vehicles. The same results are also found under the non-stationary simulation state for vehicle location. The non-stationary Poisson process provides an efficient, highly feasible method, which is also on the safe side, for simulating the vehicle spatial distribution for specific effects. Meanwhile, by employing the Bayesian inference approach for the updating of spatial load distribution, the traffic load response of long-span bridges in operation can be accurately estimated while considering the changes in traffic states. It shows the superior performance in describing complex spatial distribution updating problems for traffic load modeling.; (Català) Al llarg de la vida útil de ponts de gran llum, les condicions del trànsit es veuen afectades per l'entorn viari i poden variar de manera important. A la tesi es proposen tant un model "a prioni" de la distribució espacial de tràfic específic per a un pont com la seva versió "a posteriori" mitjançant inferència Bayesiana. Es contemplen 3 aspectes de recerca. En primer lloc es construeix un model probabilístic de la situació dels vehicles pesants al tauler en condicions de trànsit fluid rnediant dades WIM. Per simular la no homogeneïtat de la distribució dels vehicles pesats en diferents carrils s'utilitza un procés de Poisson no estacionari i s'assumeix que es troben situats dins unes cèl·lules prèviament definides. A continuacio, s'utilitza la transformacio de Nataf per tenir en ouenta la correlacio entre pesos de les vehiculos proximos situats en el mateix carril. La simulació de Monte Carlo juntament amb el model probabilístic proposat són la base per modelitzar la distribució espacial de vehicles pesants al pont.
En segon lloc, atès que les condicions de trànsit al pont varien amb el temps, les distribucions espacials prèviament obtingudes s'actualitzen mitjançant inferència Bayesiana per tenir en compte les condicions actuals de trànsit. Per això s'utilitza el mètode de filtre de partícules (PF). Gràcies a això, les distribucions de càrrega i la seva intensitat obtinguts per a diferents situacions de trànsit que es proposen a la tesi, poden ser la base per definir models de càrrega de trànsit més precisos en els ponts de gran llum. Finalment, s'aplica la metodologia proposada a un pont real. S'estudien els efectes de la correlació de pesos entre vehicles pesants i l'estacionarietat de la distribució dels vehicles en la resposta del mateix. Els valors obtinguts amb el mètode proposat i simulació de Monte Carlo per a diversos efectes es comparen amb les obtinguts amb les normatives presents. Els resultats mostren que amb l'increment de la correlació, la resposta tendeix a assolir valors màxims, la qual cosa significa un augment en la probalbilitat d'obtenir els valors més desfavorables de la distribució de vehicles als ponts. Analogo resultat s'obté sota una hipòtesi de no
estacionarietat de la posició de les vehicles pesants. El procés de Poisson no estacionari es demostra com un mètode efectiu per tenir en compte aquest efecte, estant del costat segur. Per últim, es demostra com la inferència Bayesiana per a l'actualització de la distribució espacial de la càrrega en ponts de gran llum en servei és: un mètode eficaç per reflectir les situacions canviants de trànsit.; (Español) A lo largo de la vida útil de puentes die gran luz, las condiciones del tráfico se ven afectadas por el entorno viario y pueden variar de manera importante. En la tesis se proponen tanto un modelo "a priori" de la distribución espacial de trafico específico para un puente como su versión "a posteriori" mediante inferencia Bayesiana. Se contemplan 3 aspectos de investigación. En primer lugar, se construye un modelo probabilístico de la situación de los vehículos pesados en el tablero en condiciones de tráfico fluido mediante datos WIM. Para simular la no homogeneidad de la distribución de los vehículos pesados en diferentes carriles se utiliza un proceso de Poisson no estacionario y se asume que se encuentran situados dentro de unas células previamente definidas. A continuación, se utiliza la transformación de Nataf para tener en cuenta la correlación entre pesos de los vehículos próximos situados en el mismo carril. La simulación de Monte Carlo junto con el modelo probabilístico propuesto son la base para modelizar la distribución espacial de vehículos pesados en el puente. En segundo lugar, dado que las condiciones de tráfico en el puente varían con el tiempo, las distribuciones espaciales previamente obtenidas se actualizan mediante inferencia Bayesiana para tener en cuenta las condiciones actuales de tráfico. Para ello se utiliza el método de filtro de partículas (PF). Gracias a ello, las distribuciones de carga y su intensidad obtenidos para distintas situaciones de tráfico que se proponen en la tesis, pueden ser la base para definir modelos de carga de trafico más precisos en los puentes de gran luz. Finalmente, se aplica la metodología propuesta a un puente real. Se estudian los efectos de la correlación de pesos entre vehículos pesados y la estacionalidad de la distribución de los vehículos en la respuesta del mismo. Los valores obtenidos con el método propuesto y simulación de Monte Carlo para varios efectos se comparan con las obtenidos con las normativas presentes. Los resultados muestran que, con el incremento de la correlación, la respuesta tiende a alcanzar valores máximos, lo cual significa un aumento en la probabilidad de obtener los valores más desfavorables de la distribución de vehículos en los puentes. Análogo resultado se obtiene bajo una hipótesis de no estacionalidad de la posición de los vehículos pesados. El proceso de Poisson no estacionario se demuestra como un método efectivo para tener en cuenta dicho efecto, estando del lado seguro. Por último, se demuestra coma la inferencia Bayesiana para la actualización de la distribución espacial de la carga en puentes de gran luz en servicio es: un método eficaz para reflejar las situaciones cambiantes de tráfico.
Tesi amb menció de Doctorat Internacional; Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Tongji University
2024-03-17T19:32:10ZWang, Xuejing(English) During the lifetime of long-span bridges, the traffic conditions are affected by the surroundings and will typically vary and also unpredictably change. In this thesis, a prior site-specific traffic load spatial distribution model and its updated posterior version considering actual traffic conditions via Bayesian inference were proposed. This thesis mainly contains three aspects of research.
Firstly, a probabilistic Gaussian mixture model for heavy vehicle scenarios on the bridge deck under free-flow condition is proposed for long-span bridges based on collected WIM data. A non-stationary Poisson process is utilized to simulate the uneven occurrence of heavy vehicles in different lanes, and it is assumed that they are located within the artificially defined cells on the bridge deck. Then, Nataf transformation is employed to consider the correlation of gross vehicle weights (GVWs) within close range in the same lane. The Monte Carlo method is employed with the proposed probabilistic model for modeling complex spatial distributions of heavy vehicles.
Secondly, due to the fact that the traffic conditions are affected by the surroundings and will typically vary and also unpredictably change during the lifetime of long-span bridges, the prior site-specific traffic load spatial distribution model and its updated posterior version considering actual traffic conditions via Bayesian inference are proposed. A Bayesian inference approach is developed for the updating of spatial load distribution in the extremes LE scenarios utilizing the particle filter (PF). The updated load profile and corresponding load intensity for different traffic states proposed in this thesis, can be the basis to define accurate traffic load models for long-span bridges.
Finally, the application of the proposed methodology to a real bridge is presented. The effects of correlation in GVWs and stationarity of vehicle distribution location on the structural responses are investigated and discussed. The load responses calculated by the proposed model and Monte Carlo method for different effects are compared with the values derived from the code model. The results show that with the increase of the correlation level of the neighboring GVWs, the simulated responses are more prone to get extreme values, which means an increasing probability of the most unfavorable spatial distribution of on-bridge vehicles. The same results are also found under the non-stationary simulation state for vehicle location. The non-stationary Poisson process provides an efficient, highly feasible method, which is also on the safe side, for simulating the vehicle spatial distribution for specific effects. Meanwhile, by employing the Bayesian inference approach for the updating of spatial load distribution, the traffic load response of long-span bridges in operation can be accurately estimated while considering the changes in traffic states. It shows the superior performance in describing complex spatial distribution updating problems for traffic load modeling.
(Català) Al llarg de la vida útil de ponts de gran llum, les condicions del trànsit es veuen afectades per l'entorn viari i poden variar de manera important. A la tesi es proposen tant un model "a prioni" de la distribució espacial de tràfic específic per a un pont com la seva versió "a posteriori" mitjançant inferència Bayesiana. Es contemplen 3 aspectes de recerca. En primer lloc es construeix un model probabilístic de la situació dels vehicles pesants al tauler en condicions de trànsit fluid rnediant dades WIM. Per simular la no homogeneïtat de la distribució dels vehicles pesats en diferents carrils s'utilitza un procés de Poisson no estacionari i s'assumeix que es troben situats dins unes cèl·lules prèviament definides. A continuacio, s'utilitza la transformacio de Nataf per tenir en ouenta la correlacio entre pesos de les vehiculos proximos situats en el mateix carril. La simulació de Monte Carlo juntament amb el model probabilístic proposat són la base per modelitzar la distribució espacial de vehicles pesants al pont.
En segon lloc, atès que les condicions de trànsit al pont varien amb el temps, les distribucions espacials prèviament obtingudes s'actualitzen mitjançant inferència Bayesiana per tenir en compte les condicions actuals de trànsit. Per això s'utilitza el mètode de filtre de partícules (PF). Gràcies a això, les distribucions de càrrega i la seva intensitat obtinguts per a diferents situacions de trànsit que es proposen a la tesi, poden ser la base per definir models de càrrega de trànsit més precisos en els ponts de gran llum. Finalment, s'aplica la metodologia proposada a un pont real. S'estudien els efectes de la correlació de pesos entre vehicles pesants i l'estacionarietat de la distribució dels vehicles en la resposta del mateix. Els valors obtinguts amb el mètode proposat i simulació de Monte Carlo per a diversos efectes es comparen amb les obtinguts amb les normatives presents. Els resultats mostren que amb l'increment de la correlació, la resposta tendeix a assolir valors màxims, la qual cosa significa un augment en la probalbilitat d'obtenir els valors més desfavorables de la distribució de vehicles als ponts. Analogo resultat s'obté sota una hipòtesi de no
estacionarietat de la posició de les vehicles pesants. El procés de Poisson no estacionari es demostra com un mètode efectiu per tenir en compte aquest efecte, estant del costat segur. Per últim, es demostra com la inferència Bayesiana per a l'actualització de la distribució espacial de la càrrega en ponts de gran llum en servei és: un mètode eficaç per reflectir les situacions canviants de trànsit.
(Español) A lo largo de la vida útil de puentes die gran luz, las condiciones del tráfico se ven afectadas por el entorno viario y pueden variar de manera importante. En la tesis se proponen tanto un modelo "a priori" de la distribución espacial de trafico específico para un puente como su versión "a posteriori" mediante inferencia Bayesiana. Se contemplan 3 aspectos de investigación. En primer lugar, se construye un modelo probabilístico de la situación de los vehículos pesados en el tablero en condiciones de tráfico fluido mediante datos WIM. Para simular la no homogeneidad de la distribución de los vehículos pesados en diferentes carriles se utiliza un proceso de Poisson no estacionario y se asume que se encuentran situados dentro de unas células previamente definidas. A continuación, se utiliza la transformación de Nataf para tener en cuenta la correlación entre pesos de los vehículos próximos situados en el mismo carril. La simulación de Monte Carlo junto con el modelo probabilístico propuesto son la base para modelizar la distribución espacial de vehículos pesados en el puente. En segundo lugar, dado que las condiciones de tráfico en el puente varían con el tiempo, las distribuciones espaciales previamente obtenidas se actualizan mediante inferencia Bayesiana para tener en cuenta las condiciones actuales de tráfico. Para ello se utiliza el método de filtro de partículas (PF). Gracias a ello, las distribuciones de carga y su intensidad obtenidos para distintas situaciones de tráfico que se proponen en la tesis, pueden ser la base para definir modelos de carga de trafico más precisos en los puentes de gran luz. Finalmente, se aplica la metodología propuesta a un puente real. Se estudian los efectos de la correlación de pesos entre vehículos pesados y la estacionalidad de la distribución de los vehículos en la respuesta del mismo. Los valores obtenidos con el método propuesto y simulación de Monte Carlo para varios efectos se comparan con las obtenidos con las normativas presentes. Los resultados muestran que, con el incremento de la correlación, la respuesta tiende a alcanzar valores máximos, lo cual significa un aumento en la probabilidad de obtener los valores más desfavorables de la distribución de vehículos en los puentes. Análogo resultado se obtiene bajo una hipótesis de no estacionalidad de la posición de los vehículos pesados. El proceso de Poisson no estacionario se demuestra como un método efectivo para tener en cuenta dicho efecto, estando del lado seguro. Por último, se demuestra coma la inferencia Bayesiana para la actualización de la distribución espacial de la carga en puentes de gran luz en servicio es: un método eficaz para reflejar las situaciones cambiantes de tráfico.Closing loops in intensive livestock systems: innovative strategies for nutrient recycling and emissions reductionMorey Gual, Lluíshttp://hdl.handle.net/2117/4046642024-03-18T09:03:14Z2024-03-14T19:34:03ZClosing loops in intensive livestock systems: innovative strategies for nutrient recycling and emissions reduction
Morey Gual, Lluís
(English) The exponential growth of world population is leading to a high demand of food products and, consequently, to the development of intensive agricultural and livestock systems. In this sense, synthetic fertilizers are being used in a non-sustainable way to produce food and feedstock, requiring massive amounts of energy and depleting mineral resources, with a volatile fluctuation of their prices due to geopolitical conflicts. At the same time, intensive livestock production is still inefficient in terms of nutrient use and contributes to a half of the amount of greenhouse gases and most of ammonia emissions of agriculture.
In this context, the recovery of biobased fertilizers and bioenergy from animal manure to partially replace synthetic mineral fertilizers and fossil fuels, as well as strategies to reduce emissions along the manure management chain, should be considered as a key approach to move towards a more sustainable and resilient agriculture and livestock production. This doctoral thesis has looked to contribute to this aim by developing different innovative strategies at two main levels:
(i) At animal production level, precision feeding tools have been used to adjust diets in dairy cows based on individual animal requirements, reducing the amount of nitrogen present on the excreta, and the potential volatilization of ammonia. Nitrogen was reduced in urine and manure by 28% and 19% respectively without affecting milk production, and a reduction trend on ammonia emission of 20% during manure storage was observed.
Besides, samples of dairy cow ruminal fluid were obtained to isolate and identify hyper ammonia-producing bacteria that highly contributes to ammonia production in cows’ metabolism. After the identification of Clostridium sporogens, Terrisporobacter glycolicus (Clostridium glycolicum), Megasphaera elsdenii, Clostridium argentinense, Streptococcus sp., Prevotella ruminicola, and Acidaminococcus fermentans, an in vitro study using bacteriophages isolated from the same ruminal fluid were inoculated as a population reduction strategy. Unfortunately, none of the bacteriophages present in the rumen was able to interact with the bacteria.
(ii) At manure treatment and valorization level, agro-industrial anaerobic digestate, the solid fraction of the digestate, and a mixture of the solid fraction with a low nitrogen stream from a stripping/scrubbing unit were dried in a solar drying greenhouse system, in some cases combined with acidification with sulfuric acid, to produce organic NPK fertilizers, while reducing ammonia and greenhouse gas emissions during the process. All dried products, both acidified and non-acidified, meet the current European Regulation for solid NPK fertilizers with some exceptions due to the zinc content. Moreover, acidification proved to reduce up to 94% ammonia emissions during the process when comparing the acidified to the non-acidified products. In addition, the resulting products were tested for phytotoxicity with germination and plant pot trials with lettuce. Except for the acidified dried digestate, the rest of the products did not produce any toxicity effect on germination, and the dried acidified digestate showed a biostimulator effect (Germination index > 120%). During the pot trials, the fertilizers showed an efficient performance, always lower than the synthetic fertilizer, but similar in the case of the acidified products, and better than the negative control. All of them fit the current regulations on heavy metals and potential toxic elements in soil and edible parts of the plant.; (Català) El creixement exponencial de la població mundial està portant a una gran demanda de productes alimentaris i, en conseqüència, al desenvolupament de sistemes agrícoles i ramaders intensius. En aquest sentit, els fertilitzants sintètics s'estan utilitzant de manera no sostenible per produir aliments i matèries primeres, que requereixen quantitats massives d'energia i esgoten els recursos minerals, amb una fluctuació volàtil dels seus preus per conflictes geopolítics. Al mateix temps, la ramaderia intensiva és encara ineficient pel que fa a l'ús de nutrients i contribueix a la meitat de la quantitat de gasos d'efecte hivernacle i a la majoria de les emissions d'amoníac de l’agricultura.
En aquest context, la recuperació de fertilitzants biològics i de bioenergia a partir de dejeccions animals per substituir parcialment els fertilitzants minerals sintètics i els combustibles fòssils, així com les estratègies per reduir les emissions al llarg de la cadena de gestió de les dejeccions, s'haurien de considerar com un enfocament clau per avançar cap a un sistema més sostenible, i una agricultura i una producció ramadera resilients. Aquesta tesi doctoral ha volgut contribuir a aquest objectiu desenvolupant diferents estratègies innovadores a dos nivells principals:
(i) A nivell de producció animal, s'han utilitzat eines d'alimentació de precisió per ajustar les dietes de les vaques lleteres en funció de les necessitats individuals dels animals, reduint la quantitat de nitrogen present a les excretes i la possible volatilització de l'amoníac. El nitrogen es va reduir en l'orina i les dejeccions en un 28% i un 19%, respectivament, sense afectar la producció de llet, i es va observar una tendència de reducció de les emissions d'amoníac del 20% durant l'emmagatzematge de les dejeccions.
A més, es van obtenir mostres de líquid ruminal de vaques lleteres per aïllar i identificar bacteris híper-productors d’amoníac que contribueixen substancialment a la producció d'amoníac en el metabolisme de les vaques. Després de la identificació de Clostridium sporogens, Terrisporobacter glycolicus (Clostridium glycolicum), Megasphaera elsdenii, Clostridium argentinense, Streptococcus sp., Prevotella ruminicola i Acidaminococcus fermentans, es va fer un estudi in vitro en el que es va inocular bacteriòfags del mateix líquid ruminal com a estratègia de reducció de població. Malauradament, cap dels bacteriòfags presents al nostre rumen va poder interactuar amb els bacteris.
(ii) A nivell de tractament i valorització de les dejeccions, es van assecar digestat agroindustrial, la fracció sòlida del digestat i una barreja de la fracció sòlida amb una corrent baixa en nitrogen procedent d’una unitat de stripping en un sistema d’assecat solar, en alguns casos combinats amb acidificació amb àcid sulfúric, per produir fertilitzants orgànics NPK, alhora que es reduïen les emissions d’amoníac i gasos d’efecte hivernacle durant el procés. Tots els productes secs, tant acidificats com no acidificats, compliren amb el Reglament europeu vigent per a fertilitzants sòlids NPK amb algunes excepcions pel contingut de zinc. A més, l’acidificació va demostrar reduir fins a un 94% les emissions d’amoníac durant el procés en comparar els productes acidificats amb els no acidificats. Els productes resultants van ser provats amb un experiment de germinació i assajos en test amb enciam per determinar la seva fitotoxicitat. Excepte el digestat sec acidificat, la resta de productes no van produir cap efecte de toxicitat en la germinació, i el digestat sec acidificat va mostrar un efecte bioestimulador (índex de germinació > 120%). Durant les proves en test, els fertilitzants van mostrar un rendiment eficient, sempre inferior al sintètic, però similar en el cas dels productes acidificats, i millor que el control negatiu. Tots ells s’ajustaren a la normativa vigent sobre metalls pesants i elements potencialment tòxics al sòl i a les parts comestibles de la planta.; (Español) El crecimiento exponencial de la población mundial está potenciando una gran demanda de productos alimenticios y, en consecuencia, al desarrollo de sistemas agrícolas y ganaderos intensivos. En este sentido, los fertilizantes sintéticos se están utilizando de forma no sostenible para producir alimentos y materias primas, que requieren cantidades masivas de energía y agotan los recursos minerales, con una fluctuación volátil de sus precios por conflictos geopolíticos. Al mismo tiempo, la ganadería intensiva es todavía ineficiente en lo que se refiere al uso de nutrientes y contribuye a la mitad de la cantidad de gases de efecto invernadero ya la mayoría de las emisiones de amoníaco de la agricultura.
En este contexto, la recuperación de fertilizantes biológicos y de bioenergía a partir de estiércoles animales para sustituir parcialmente los fertilizantes minerales sintéticos y los combustibles fósiles, así como las estrategias para reducir las emisiones a lo largo de la cadena de gestión de estiércol, se deberían considerar como un enfoque clave para avanzar hacia un sistema más sostenible y una agricultura y una producción ganadera resilientes. Esta tesis doctoral ha querido contribuir a este objetivo desarrollando diferentes estrategias innovadoras a dos niveles principales:
(i) A nivel de producción animal, se han utilizado herramientas de alimentación de precisión para ajustar las dietas de las vacas lecheras en función de las necesidades individuales de los animales, reduciendo la cantidad de nitrógeno presente en las excretas y la posible volatilización del amoníaco. El nitrógeno se redujo en la orina y en las heces en un 28% y un 19%, respectivamente, sin afectar a la producción de leche, y se observó una tendencia de reducción de las emisiones de amoníaco del 20% durante el almacenamiento del estiércol.
Además, se obtuvieron muestras de con líquido ruminal de vacas lecheras para aislar e identificar bacterias híper-productoras de amoníaco que contribuyen sustancialmente a la producción de amoníaco en el metabolismo de las vacas. Tras la identificación de Clostridium sporogens, Terrisporobacter glycolicus (Clostridium glycolicum), Megasphaera elsdenii, Clostridium argentinense, Streptococcus sp., Prevotella ruminicola y Acidaminococcus fermentans, se realizó un estudio in vitro en el que se inocularon bacteriófagos del mismo líquido ruminal. Desgraciadamente, ninguno de los bacteriófagos presentes en nuestro rumen pudo interactuar con las bacterias.
(ii) A nivel de tratamiento y valorización de estiércol, se secaron digestato agroindustrial, la fracción sólida del digestato y una mezcla de la fracción sólida con una corriente baja en nitrógeno procedente de una unidad de stripping en un sistema de secado solar, en algunos casos combinados con acidificación con ácido sulfúrico, para producir fertilizantes orgánicos NPK, al tiempo que se reducían las emisiones de amoníaco y gases de efecto invernadero durante el proceso. Todos los productos secos, tanto acidificados como no acidificados, cumplieron con el Reglamento europeo vigente para fertilizantes sólidos NPK con algunas excepciones por el contenido de zinc. Además, la acidificación demostró reducir hasta en un 94% las emisiones de amoníaco durante el proceso al comparar los productos acidificados con los no acidificados. Los productos resultantes fueron probados con un experimento de germinación y ensayos en maceta con lechuga para determinar su fitotoxicidad. Excepto el digestato seco acidificado, el resto de los productos no produjeron ningún efecto de toxicidad en la germinación y el t seco acidificado mostró un efecto bioestimulador (índice de germinación > 120%). Durante las pruebas en test, los fertilizantes mostraron un rendimiento eficiente, siempre inferior al sintético pero similar en el caso de los productos acidificados, y mejor que el control negativo. Todos ellos se ajustaron a la normativa vigente sobre metales pesados y elementos potencialmente tóxicos.
Tesi amb menció de Doctorat Internacional; Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Universiteit Gent
2024-03-14T19:34:03ZMorey Gual, Lluís(English) The exponential growth of world population is leading to a high demand of food products and, consequently, to the development of intensive agricultural and livestock systems. In this sense, synthetic fertilizers are being used in a non-sustainable way to produce food and feedstock, requiring massive amounts of energy and depleting mineral resources, with a volatile fluctuation of their prices due to geopolitical conflicts. At the same time, intensive livestock production is still inefficient in terms of nutrient use and contributes to a half of the amount of greenhouse gases and most of ammonia emissions of agriculture.
In this context, the recovery of biobased fertilizers and bioenergy from animal manure to partially replace synthetic mineral fertilizers and fossil fuels, as well as strategies to reduce emissions along the manure management chain, should be considered as a key approach to move towards a more sustainable and resilient agriculture and livestock production. This doctoral thesis has looked to contribute to this aim by developing different innovative strategies at two main levels:
(i) At animal production level, precision feeding tools have been used to adjust diets in dairy cows based on individual animal requirements, reducing the amount of nitrogen present on the excreta, and the potential volatilization of ammonia. Nitrogen was reduced in urine and manure by 28% and 19% respectively without affecting milk production, and a reduction trend on ammonia emission of 20% during manure storage was observed.
Besides, samples of dairy cow ruminal fluid were obtained to isolate and identify hyper ammonia-producing bacteria that highly contributes to ammonia production in cows’ metabolism. After the identification of Clostridium sporogens, Terrisporobacter glycolicus (Clostridium glycolicum), Megasphaera elsdenii, Clostridium argentinense, Streptococcus sp., Prevotella ruminicola, and Acidaminococcus fermentans, an in vitro study using bacteriophages isolated from the same ruminal fluid were inoculated as a population reduction strategy. Unfortunately, none of the bacteriophages present in the rumen was able to interact with the bacteria.
(ii) At manure treatment and valorization level, agro-industrial anaerobic digestate, the solid fraction of the digestate, and a mixture of the solid fraction with a low nitrogen stream from a stripping/scrubbing unit were dried in a solar drying greenhouse system, in some cases combined with acidification with sulfuric acid, to produce organic NPK fertilizers, while reducing ammonia and greenhouse gas emissions during the process. All dried products, both acidified and non-acidified, meet the current European Regulation for solid NPK fertilizers with some exceptions due to the zinc content. Moreover, acidification proved to reduce up to 94% ammonia emissions during the process when comparing the acidified to the non-acidified products. In addition, the resulting products were tested for phytotoxicity with germination and plant pot trials with lettuce. Except for the acidified dried digestate, the rest of the products did not produce any toxicity effect on germination, and the dried acidified digestate showed a biostimulator effect (Germination index > 120%). During the pot trials, the fertilizers showed an efficient performance, always lower than the synthetic fertilizer, but similar in the case of the acidified products, and better than the negative control. All of them fit the current regulations on heavy metals and potential toxic elements in soil and edible parts of the plant.
(Català) El creixement exponencial de la població mundial està portant a una gran demanda de productes alimentaris i, en conseqüència, al desenvolupament de sistemes agrícoles i ramaders intensius. En aquest sentit, els fertilitzants sintètics s'estan utilitzant de manera no sostenible per produir aliments i matèries primeres, que requereixen quantitats massives d'energia i esgoten els recursos minerals, amb una fluctuació volàtil dels seus preus per conflictes geopolítics. Al mateix temps, la ramaderia intensiva és encara ineficient pel que fa a l'ús de nutrients i contribueix a la meitat de la quantitat de gasos d'efecte hivernacle i a la majoria de les emissions d'amoníac de l’agricultura.
En aquest context, la recuperació de fertilitzants biològics i de bioenergia a partir de dejeccions animals per substituir parcialment els fertilitzants minerals sintètics i els combustibles fòssils, així com les estratègies per reduir les emissions al llarg de la cadena de gestió de les dejeccions, s'haurien de considerar com un enfocament clau per avançar cap a un sistema més sostenible, i una agricultura i una producció ramadera resilients. Aquesta tesi doctoral ha volgut contribuir a aquest objectiu desenvolupant diferents estratègies innovadores a dos nivells principals:
(i) A nivell de producció animal, s'han utilitzat eines d'alimentació de precisió per ajustar les dietes de les vaques lleteres en funció de les necessitats individuals dels animals, reduint la quantitat de nitrogen present a les excretes i la possible volatilització de l'amoníac. El nitrogen es va reduir en l'orina i les dejeccions en un 28% i un 19%, respectivament, sense afectar la producció de llet, i es va observar una tendència de reducció de les emissions d'amoníac del 20% durant l'emmagatzematge de les dejeccions.
A més, es van obtenir mostres de líquid ruminal de vaques lleteres per aïllar i identificar bacteris híper-productors d’amoníac que contribueixen substancialment a la producció d'amoníac en el metabolisme de les vaques. Després de la identificació de Clostridium sporogens, Terrisporobacter glycolicus (Clostridium glycolicum), Megasphaera elsdenii, Clostridium argentinense, Streptococcus sp., Prevotella ruminicola i Acidaminococcus fermentans, es va fer un estudi in vitro en el que es va inocular bacteriòfags del mateix líquid ruminal com a estratègia de reducció de població. Malauradament, cap dels bacteriòfags presents al nostre rumen va poder interactuar amb els bacteris.
(ii) A nivell de tractament i valorització de les dejeccions, es van assecar digestat agroindustrial, la fracció sòlida del digestat i una barreja de la fracció sòlida amb una corrent baixa en nitrogen procedent d’una unitat de stripping en un sistema d’assecat solar, en alguns casos combinats amb acidificació amb àcid sulfúric, per produir fertilitzants orgànics NPK, alhora que es reduïen les emissions d’amoníac i gasos d’efecte hivernacle durant el procés. Tots els productes secs, tant acidificats com no acidificats, compliren amb el Reglament europeu vigent per a fertilitzants sòlids NPK amb algunes excepcions pel contingut de zinc. A més, l’acidificació va demostrar reduir fins a un 94% les emissions d’amoníac durant el procés en comparar els productes acidificats amb els no acidificats. Els productes resultants van ser provats amb un experiment de germinació i assajos en test amb enciam per determinar la seva fitotoxicitat. Excepte el digestat sec acidificat, la resta de productes no van produir cap efecte de toxicitat en la germinació, i el digestat sec acidificat va mostrar un efecte bioestimulador (índex de germinació > 120%). Durant les proves en test, els fertilitzants van mostrar un rendiment eficient, sempre inferior al sintètic, però similar en el cas dels productes acidificats, i millor que el control negatiu. Tots ells s’ajustaren a la normativa vigent sobre metalls pesants i elements potencialment tòxics al sòl i a les parts comestibles de la planta.
(Español) El crecimiento exponencial de la población mundial está potenciando una gran demanda de productos alimenticios y, en consecuencia, al desarrollo de sistemas agrícolas y ganaderos intensivos. En este sentido, los fertilizantes sintéticos se están utilizando de forma no sostenible para producir alimentos y materias primas, que requieren cantidades masivas de energía y agotan los recursos minerales, con una fluctuación volátil de sus precios por conflictos geopolíticos. Al mismo tiempo, la ganadería intensiva es todavía ineficiente en lo que se refiere al uso de nutrientes y contribuye a la mitad de la cantidad de gases de efecto invernadero ya la mayoría de las emisiones de amoníaco de la agricultura.
En este contexto, la recuperación de fertilizantes biológicos y de bioenergía a partir de estiércoles animales para sustituir parcialmente los fertilizantes minerales sintéticos y los combustibles fósiles, así como las estrategias para reducir las emisiones a lo largo de la cadena de gestión de estiércol, se deberían considerar como un enfoque clave para avanzar hacia un sistema más sostenible y una agricultura y una producción ganadera resilientes. Esta tesis doctoral ha querido contribuir a este objetivo desarrollando diferentes estrategias innovadoras a dos niveles principales:
(i) A nivel de producción animal, se han utilizado herramientas de alimentación de precisión para ajustar las dietas de las vacas lecheras en función de las necesidades individuales de los animales, reduciendo la cantidad de nitrógeno presente en las excretas y la posible volatilización del amoníaco. El nitrógeno se redujo en la orina y en las heces en un 28% y un 19%, respectivamente, sin afectar a la producción de leche, y se observó una tendencia de reducción de las emisiones de amoníaco del 20% durante el almacenamiento del estiércol.
Además, se obtuvieron muestras de con líquido ruminal de vacas lecheras para aislar e identificar bacterias híper-productoras de amoníaco que contribuyen sustancialmente a la producción de amoníaco en el metabolismo de las vacas. Tras la identificación de Clostridium sporogens, Terrisporobacter glycolicus (Clostridium glycolicum), Megasphaera elsdenii, Clostridium argentinense, Streptococcus sp., Prevotella ruminicola y Acidaminococcus fermentans, se realizó un estudio in vitro en el que se inocularon bacteriófagos del mismo líquido ruminal. Desgraciadamente, ninguno de los bacteriófagos presentes en nuestro rumen pudo interactuar con las bacterias.
(ii) A nivel de tratamiento y valorización de estiércol, se secaron digestato agroindustrial, la fracción sólida del digestato y una mezcla de la fracción sólida con una corriente baja en nitrógeno procedente de una unidad de stripping en un sistema de secado solar, en algunos casos combinados con acidificación con ácido sulfúrico, para producir fertilizantes orgánicos NPK, al tiempo que se reducían las emisiones de amoníaco y gases de efecto invernadero durante el proceso. Todos los productos secos, tanto acidificados como no acidificados, cumplieron con el Reglamento europeo vigente para fertilizantes sólidos NPK con algunas excepciones por el contenido de zinc. Además, la acidificación demostró reducir hasta en un 94% las emisiones de amoníaco durante el proceso al comparar los productos acidificados con los no acidificados. Los productos resultantes fueron probados con un experimento de germinación y ensayos en maceta con lechuga para determinar su fitotoxicidad. Excepto el digestato seco acidificado, el resto de los productos no produjeron ningún efecto de toxicidad en la germinación y el t seco acidificado mostró un efecto bioestimulador (índice de germinación > 120%). Durante las pruebas en test, los fertilizantes mostraron un rendimiento eficiente, siempre inferior al sintético pero similar en el caso de los productos acidificados, y mejor que el control negativo. Todos ellos se ajustaron a la normativa vigente sobre metales pesados y elementos potencialmente tóxicos.Understanding size-resolved dust emission from field measurements in MoroccoGonzález Flórez, Cristinahttp://hdl.handle.net/2117/4040622024-03-11T07:28:47Z2024-03-10T19:31:26ZUnderstanding size-resolved dust emission from field measurements in Morocco
González Flórez, Cristina
(English) Atmospheric mineral dust is composed of a variety of mineral particles exhibiting distinct composition, shape, and size. The
wide range of diameters exhibited by dust particles, spanning more than three orders of magnitude, partly determines their
effects within the Earth System. This PhD thesis focuses on dust emission, and especially on the emitted dust particle size
distribution (PSD) and its variability. It has been conducted within the context of the ERC project “FRontiers in dus t
minerAloGical coMpos ition and its Effects upoN climaTe” (FRAGMENT), which aims to understand global dus t compos ition
and its climate effects. Dust is generated through saltation bombardment and aggregate disintegration, and less efectively by
aerodynamic entrainment. Constraining its PSD at emission is crucial as it strongly affects the impacts, lifetime, and global
distribution of dust. However, our understanding of the emitted dust PSD, including its potential variability, its underlying
causes, and the fraction of particles with diameter >10μm, remains limited.
This thesis provides new insights into the emitted dust PSD and its variability based on meteorological, saltation and size -
resolved dust concentration measurements conducted during the FRAGMENT campaign in the Moroccan Sahara in
September 2019. Saltation and dust emission occurred regularly at this location, although sandblasting efficiency was lower
compared to previous studies, probably due to the paved sediment surface. During the campaign two types of dust events
were identified: regular events associated with diurnal wind cycles caused by solar heating, and haboobs, intense dust
storms formed by convective downdrafts. The obtained dust concentration and diffusive flux PSDs show statistically
significant dependencies upon friction velocity (u*), wind direction, and type of event. Notably, diffusive flux PSDs shift towards
finer particles with increasing u*. In this thesis, this feature has been attributed to a large extent to the effect of dry d eposition,
which is modulated by the wind-direction-dependent fetch length, and u*. However, an enhanced fragmentation of aggregates
with u* may also play a smaller role.
The dry deposition flux was estimated using a resistance model constrained with field observations, which was then used to
estimate the emitted dust flux. It has been shown that the deposition flux could represent up to ˜ 90% of the emitted dust flux
for particles >10μm in diameter and up to ˜ 65% for particles as small as ˜ 5μm. These results imply that the emitted dust
PSD is coarser and less variable than the diffusive flux PSD. As far as I know, this is the first time that the effect of dry
deposition upon the diffusive fluxes is identified and quantified experimentally, supporting recent results based on numerica l
modelling. This finding has implications for the evaluation of dust emission schemes and their implementation in transport
models as the typical assumption that the diffusive and the emitted dust PSDs are equivalent could be invalidated.
Another remarkable feature is the difference in PSDs between haboob and regular events. Haboob PSDs show lower
proportions of sub-micrometre particles for equivalent or higher u* intervals, along with more dry deposition and variability in
dust mass fractions with diameters >3μm. The mechanisms proposed to explain this variability include a smaller and
variable effective fetch during the haboob events, and/or an increased resistance of soil aggregates to fragmentation
associated with the observed increase in relative humidity along the haboob outflow.
Finally, compared to the invariant emitted dust flux PSD predicted by Brittle Fragmentation Theory, our dust flux shows a
substantially higher proportion of super-micrometre particles. Overall, these results highlight the need to adequately consider
dry deposition when estimating the emitted PSD from concentration measurements, even in studies limited to size ranges
<10; (Català) La pols atmosfèrica està composta per partícules minerals de diversa composició, forma i mida. L’àmplia gamma de
diàmetres de les partícules de pols, determina en part els seus efectes en el Sistema Terra. Aquesta tesi es centra en
l'emissió de pols i, més concretament, en la distribució de tamanys de les partícules emes es (“PSD”) i la seva variabilitat.
S'ha realitzat dins del projecte ERC FRAGMENT, que busca comprendre millor la composici ó global de la pols i els seus
efectes en el clima. La pols es genera a través del bombardeig per saltació, la desintegració d'agregats i, en menor mesura,
mitjançant l'arrossegament aerodinàmic. Determinar la PSD de la pols en emissió és crucial, ja que afecta els seus
impactes, temps de vida i distribució global. No obstant això, la nostra comprensió de la PSD de la pols emesa, incloent-hi
la seva possible variabilitat, les causes subjacents i la fracció de pols amb diàmetre >10μm és limitada.
Aquesta tesi ofereix noves perspectives sobre la PSD de la pols emesa i la seva variabilitat a partir de les observacions
meteorològiques i mesures de concentració de pols i de saltació d'una campanya de FRAGMENT a Marroc el 2019. La
saltació i l'emissió de pols van ser freqüents al lloc triat, tot i que l'eficiència de saltació va ser inferior a altres estudis,
probablement a causa del sediment compactat de la superfície. Durant la campanya es van identificar dos tipus
d'esdeveniments de pols: els regulars, associats al cicle diari del vent causat per l'escalfament solar, i els haboobs, formats
per corrents descendents d'aire en esdeveniments convectius. Les PSDs de la concentració i el flux difusiú mostren
dependències estadísticament significatives en funció de la velocitat de fricció (u*), la direcció del vent, i el tipus
d'esdeveniment. En particular, s'observa un desplaçament cap a PSDs més fines en el flux difusiu a mesura que augmenta
la u*, atribuït principalment a l'efecte de la deposició seca, modulada per l'extensió de la font (“fetch”) i la u*. No obstant això,
una major fragmentació d'agregats a mesura que augmenta la u* podria també jugar un paper secundari.
El flux de deposició seca es va estimar mitjançant un model de res is tències calibrat amb observacions i, a partir d'aquest,
s'ha estimat també el flux de pols emesa. S'ha demostrat que la deposició podria representar fins a un ˜ 90% del flux emès
per a partícules amb diàmetres >10μm i fins a ˜ 65% per a partícules ˜ 5μm. Això implica que la PSD de la pols emesa és
més gruixuda i menys variable que la PSD del flux difusiu. Aquesta és la primera vegada que s'identifica i quantifica
experimentalment l'efecte de la deposició seca en els fluxos difusius, recolzant resultats recents obtinguts amb modelització
numèrica. Aquest descobriment té implicacions en l'avaluació dels esquemes d'emissió de pols i la seva implementació en
els models de transport de pols, ja que l'assumpció típica que les PSD del flux difusiú i emès són equivalents podria no ser
vàlida.
Una altra característica destacable són les diferències de PSD entre els esdeveniments regulars i els haboobs. Els
haboobs mostren una menor proporció de partícules submicròniques per a intervals de u* iguals o majors, i una major
deposició seca i variabilitat en les fraccions de massa >3μm. Els mecanismes proposats per explicar aquesta variabilitat
inclouen un “fetch” efectiu més petit i variable durant els haboobs, i/o una major resistència dels agregats del sòl a la
fragmentació, associada a l'augment observat en la humitat relativa al llarg del flux de sortida del haboob.
En comparació amb la PSD del flux de pols emès que proposa la teoria de fragmentació de materials fràgils, els nostres
resultats del flux de pols mostren una proporció substancialment més gran de partícules supermicròniques. Aquests
resultats indiquen que la depos ició s eca ha de s er cons iderada adequadament per a es timar la PSD emes a, fins i tot en
estudis limitats a rangs de tamany <10μm.; (Español) El polvo atmosférico se compone de partículas minerales con una composición, forma y tamaño distintos. El amplio rango de diámetros de las partículas de polvo determina en parte sus efectos en el Sistema Tierra. Esta tesis se centra en la emisión de polvo, especialmente en la distribución de tamaños de las partículas emitidas ("PSD") y en su variabilidad. Se ha llevado a cabo en el marco del proyecto ERC FRAGMENT, que busca comprender mejor la composici ón global del polvo y sus efectos en el clima. El polvo se genera a través del bombardeo por saltación, la desintegración de agregados y, en menor medida, el arrastre aerodinámico. Determinar la PSD del polvo en emisión es crucial, ya que afecta a sus impactos, tiempo de vida y distribución global. Sin embargo, nuestra comprensi ón de la PSD del polvo emitido, incluyendo su posible variabilidad, las causas subyacentes y la fracci ón de polvo con diámetro >10μm es limitada. Esta tesis ofrece nuevas perspectivas sobre la PSD del polvo emitido y su variabilidad a partir de las observaciones meteorológicas y medidas de concentración de polvo y saltación de una campaña de FRAGMENT en Marruecos en 2019. La saltación y emisión de polvo fueron frecuentes en el sitio elegido, aunque la eficiencia de saltaci ón fue menor que en otros estudios, probablemente por el sedimento compactado que cubría la superficie. Durante la campaña hubo dos tipos de eventos de polvo: regulares, asociados al ciclo diario del viento causado por el calentamiento solar, y haboobs, formados por las corrientes descendentes de aire en eventos convectivos. Las PSDs de la concentraci ón y el flujo difusivo muestran dependencias estadisticamente significativas con la velocidad de fricci ón (u*), la dirección del viento, y el tipo de evento. En particular, se observa un desplazamiento hacia PSDs más finas en el flujo difusivo a medida que aumenta la u*, que se ha atribuido en gran medida al efecto de la deposición seca, modulada por la extensión de la fuente de polvo ("fetch"), y la u*. No obstante, una mayor fragmentación de agregados a medida que aumenta la u* podría desempeñar también un papel secundario. El flujo de deposición seca se estimó mediante un modelo calibrado con observaciones, a partir del cual se estimó también el flujo de polvo emitido. Se ha visto que la deposici ón podría representar hasta un ˜ 90% del flujo emitido para partículas con diámetros >10μm y hasta ˜ 65% para partículas ˜ 5μm. Esto implica que la PSD del polvo emitido es más gruesa y menos variable que la PSD del flujo difusivo. Ésta es la primera vez que se identifica y cuantifica experimentalmente el efecto de la deposición seca en los flujos difusivos, respaldando resultados recientes obtenidos con modelizaci ón numérica. Este hallazgo tiene implicaciones en la evaluaci ón de los esquemas de emisión de polvo y su implementación en los modelos de transporte ya que la típica suposición de que las PSDs del flujo difusivo y emitido son equivalentes podría no ser válida. Otro hallazgo destacado son las diferencias entre las PSDs de los eventos regulares y los haboobs. Los haboobs muestran una menor proporción de partículas submicrónicas para intervalos de u* iguales o mayores, y una mayor deposici ón y variabilidad en la fracción de masa >3μm. Los mecanismos propues tos para explicar es ta variabilidad incluyen un “fetch” efectivo más pequeño y variable durante los eventos de haboob, y/o una mayor resistencia de los agregados del suelo a la fragmentación, asociada a una mayor humedad relativa a lo largo del flujo de salida del haboob. En comparación con la PSD del flujo de polvo propuesta por la teoría de fragmentación de materiales frágiles, nuestros resultados del flujo de polvo muestran una proporci ón sustancialmente mayor de partículas supermicrónicas. Estos hallazgos indican que la deposición seca debe ser considerada adecuadamente al estimar la PSD emitida, incluso en estudios limitados a rangos de tamaño <10μm.
Tesi amb menció de Doctorat Internacional
2024-03-10T19:31:26ZGonzález Flórez, Cristina(English) Atmospheric mineral dust is composed of a variety of mineral particles exhibiting distinct composition, shape, and size. The
wide range of diameters exhibited by dust particles, spanning more than three orders of magnitude, partly determines their
effects within the Earth System. This PhD thesis focuses on dust emission, and especially on the emitted dust particle size
distribution (PSD) and its variability. It has been conducted within the context of the ERC project “FRontiers in dus t
minerAloGical coMpos ition and its Effects upoN climaTe” (FRAGMENT), which aims to understand global dus t compos ition
and its climate effects. Dust is generated through saltation bombardment and aggregate disintegration, and less efectively by
aerodynamic entrainment. Constraining its PSD at emission is crucial as it strongly affects the impacts, lifetime, and global
distribution of dust. However, our understanding of the emitted dust PSD, including its potential variability, its underlying
causes, and the fraction of particles with diameter >10μm, remains limited.
This thesis provides new insights into the emitted dust PSD and its variability based on meteorological, saltation and size -
resolved dust concentration measurements conducted during the FRAGMENT campaign in the Moroccan Sahara in
September 2019. Saltation and dust emission occurred regularly at this location, although sandblasting efficiency was lower
compared to previous studies, probably due to the paved sediment surface. During the campaign two types of dust events
were identified: regular events associated with diurnal wind cycles caused by solar heating, and haboobs, intense dust
storms formed by convective downdrafts. The obtained dust concentration and diffusive flux PSDs show statistically
significant dependencies upon friction velocity (u*), wind direction, and type of event. Notably, diffusive flux PSDs shift towards
finer particles with increasing u*. In this thesis, this feature has been attributed to a large extent to the effect of dry d eposition,
which is modulated by the wind-direction-dependent fetch length, and u*. However, an enhanced fragmentation of aggregates
with u* may also play a smaller role.
The dry deposition flux was estimated using a resistance model constrained with field observations, which was then used to
estimate the emitted dust flux. It has been shown that the deposition flux could represent up to ˜ 90% of the emitted dust flux
for particles >10μm in diameter and up to ˜ 65% for particles as small as ˜ 5μm. These results imply that the emitted dust
PSD is coarser and less variable than the diffusive flux PSD. As far as I know, this is the first time that the effect of dry
deposition upon the diffusive fluxes is identified and quantified experimentally, supporting recent results based on numerica l
modelling. This finding has implications for the evaluation of dust emission schemes and their implementation in transport
models as the typical assumption that the diffusive and the emitted dust PSDs are equivalent could be invalidated.
Another remarkable feature is the difference in PSDs between haboob and regular events. Haboob PSDs show lower
proportions of sub-micrometre particles for equivalent or higher u* intervals, along with more dry deposition and variability in
dust mass fractions with diameters >3μm. The mechanisms proposed to explain this variability include a smaller and
variable effective fetch during the haboob events, and/or an increased resistance of soil aggregates to fragmentation
associated with the observed increase in relative humidity along the haboob outflow.
Finally, compared to the invariant emitted dust flux PSD predicted by Brittle Fragmentation Theory, our dust flux shows a
substantially higher proportion of super-micrometre particles. Overall, these results highlight the need to adequately consider
dry deposition when estimating the emitted PSD from concentration measurements, even in studies limited to size ranges
<10
(Català) La pols atmosfèrica està composta per partícules minerals de diversa composició, forma i mida. L’àmplia gamma de
diàmetres de les partícules de pols, determina en part els seus efectes en el Sistema Terra. Aquesta tesi es centra en
l'emissió de pols i, més concretament, en la distribució de tamanys de les partícules emes es (“PSD”) i la seva variabilitat.
S'ha realitzat dins del projecte ERC FRAGMENT, que busca comprendre millor la composici ó global de la pols i els seus
efectes en el clima. La pols es genera a través del bombardeig per saltació, la desintegració d'agregats i, en menor mesura,
mitjançant l'arrossegament aerodinàmic. Determinar la PSD de la pols en emissió és crucial, ja que afecta els seus
impactes, temps de vida i distribució global. No obstant això, la nostra comprensió de la PSD de la pols emesa, incloent-hi
la seva possible variabilitat, les causes subjacents i la fracció de pols amb diàmetre >10μm és limitada.
Aquesta tesi ofereix noves perspectives sobre la PSD de la pols emesa i la seva variabilitat a partir de les observacions
meteorològiques i mesures de concentració de pols i de saltació d'una campanya de FRAGMENT a Marroc el 2019. La
saltació i l'emissió de pols van ser freqüents al lloc triat, tot i que l'eficiència de saltació va ser inferior a altres estudis,
probablement a causa del sediment compactat de la superfície. Durant la campanya es van identificar dos tipus
d'esdeveniments de pols: els regulars, associats al cicle diari del vent causat per l'escalfament solar, i els haboobs, formats
per corrents descendents d'aire en esdeveniments convectius. Les PSDs de la concentració i el flux difusiú mostren
dependències estadísticament significatives en funció de la velocitat de fricció (u*), la direcció del vent, i el tipus
d'esdeveniment. En particular, s'observa un desplaçament cap a PSDs més fines en el flux difusiu a mesura que augmenta
la u*, atribuït principalment a l'efecte de la deposició seca, modulada per l'extensió de la font (“fetch”) i la u*. No obstant això,
una major fragmentació d'agregats a mesura que augmenta la u* podria també jugar un paper secundari.
El flux de deposició seca es va estimar mitjançant un model de res is tències calibrat amb observacions i, a partir d'aquest,
s'ha estimat també el flux de pols emesa. S'ha demostrat que la deposició podria representar fins a un ˜ 90% del flux emès
per a partícules amb diàmetres >10μm i fins a ˜ 65% per a partícules ˜ 5μm. Això implica que la PSD de la pols emesa és
més gruixuda i menys variable que la PSD del flux difusiu. Aquesta és la primera vegada que s'identifica i quantifica
experimentalment l'efecte de la deposició seca en els fluxos difusius, recolzant resultats recents obtinguts amb modelització
numèrica. Aquest descobriment té implicacions en l'avaluació dels esquemes d'emissió de pols i la seva implementació en
els models de transport de pols, ja que l'assumpció típica que les PSD del flux difusiú i emès són equivalents podria no ser
vàlida.
Una altra característica destacable són les diferències de PSD entre els esdeveniments regulars i els haboobs. Els
haboobs mostren una menor proporció de partícules submicròniques per a intervals de u* iguals o majors, i una major
deposició seca i variabilitat en les fraccions de massa >3μm. Els mecanismes proposats per explicar aquesta variabilitat
inclouen un “fetch” efectiu més petit i variable durant els haboobs, i/o una major resistència dels agregats del sòl a la
fragmentació, associada a l'augment observat en la humitat relativa al llarg del flux de sortida del haboob.
En comparació amb la PSD del flux de pols emès que proposa la teoria de fragmentació de materials fràgils, els nostres
resultats del flux de pols mostren una proporció substancialment més gran de partícules supermicròniques. Aquests
resultats indiquen que la depos ició s eca ha de s er cons iderada adequadament per a es timar la PSD emes a, fins i tot en
estudis limitats a rangs de tamany <10μm.
(Español) El polvo atmosférico se compone de partículas minerales con una composición, forma y tamaño distintos. El amplio rango de diámetros de las partículas de polvo determina en parte sus efectos en el Sistema Tierra. Esta tesis se centra en la emisión de polvo, especialmente en la distribución de tamaños de las partículas emitidas ("PSD") y en su variabilidad. Se ha llevado a cabo en el marco del proyecto ERC FRAGMENT, que busca comprender mejor la composici ón global del polvo y sus efectos en el clima. El polvo se genera a través del bombardeo por saltación, la desintegración de agregados y, en menor medida, el arrastre aerodinámico. Determinar la PSD del polvo en emisión es crucial, ya que afecta a sus impactos, tiempo de vida y distribución global. Sin embargo, nuestra comprensi ón de la PSD del polvo emitido, incluyendo su posible variabilidad, las causas subyacentes y la fracci ón de polvo con diámetro >10μm es limitada. Esta tesis ofrece nuevas perspectivas sobre la PSD del polvo emitido y su variabilidad a partir de las observaciones meteorológicas y medidas de concentración de polvo y saltación de una campaña de FRAGMENT en Marruecos en 2019. La saltación y emisión de polvo fueron frecuentes en el sitio elegido, aunque la eficiencia de saltaci ón fue menor que en otros estudios, probablemente por el sedimento compactado que cubría la superficie. Durante la campaña hubo dos tipos de eventos de polvo: regulares, asociados al ciclo diario del viento causado por el calentamiento solar, y haboobs, formados por las corrientes descendentes de aire en eventos convectivos. Las PSDs de la concentraci ón y el flujo difusivo muestran dependencias estadisticamente significativas con la velocidad de fricci ón (u*), la dirección del viento, y el tipo de evento. En particular, se observa un desplazamiento hacia PSDs más finas en el flujo difusivo a medida que aumenta la u*, que se ha atribuido en gran medida al efecto de la deposición seca, modulada por la extensión de la fuente de polvo ("fetch"), y la u*. No obstante, una mayor fragmentación de agregados a medida que aumenta la u* podría desempeñar también un papel secundario. El flujo de deposición seca se estimó mediante un modelo calibrado con observaciones, a partir del cual se estimó también el flujo de polvo emitido. Se ha visto que la deposici ón podría representar hasta un ˜ 90% del flujo emitido para partículas con diámetros >10μm y hasta ˜ 65% para partículas ˜ 5μm. Esto implica que la PSD del polvo emitido es más gruesa y menos variable que la PSD del flujo difusivo. Ésta es la primera vez que se identifica y cuantifica experimentalmente el efecto de la deposición seca en los flujos difusivos, respaldando resultados recientes obtenidos con modelizaci ón numérica. Este hallazgo tiene implicaciones en la evaluaci ón de los esquemas de emisión de polvo y su implementación en los modelos de transporte ya que la típica suposición de que las PSDs del flujo difusivo y emitido son equivalentes podría no ser válida. Otro hallazgo destacado son las diferencias entre las PSDs de los eventos regulares y los haboobs. Los haboobs muestran una menor proporción de partículas submicrónicas para intervalos de u* iguales o mayores, y una mayor deposici ón y variabilidad en la fracción de masa >3μm. Los mecanismos propues tos para explicar es ta variabilidad incluyen un “fetch” efectivo más pequeño y variable durante los eventos de haboob, y/o una mayor resistencia de los agregados del suelo a la fragmentación, asociada a una mayor humedad relativa a lo largo del flujo de salida del haboob. En comparación con la PSD del flujo de polvo propuesta por la teoría de fragmentación de materiales frágiles, nuestros resultados del flujo de polvo muestran una proporci ón sustancialmente mayor de partículas supermicrónicas. Estos hallazgos indican que la deposición seca debe ser considerada adecuadamente al estimar la PSD emitida, incluso en estudios limitados a rangos de tamaño <10μm.Structural behaviour and plastic design of carbon and stainless steel frames in fireSegura Valdivieso, Guillermohttp://hdl.handle.net/2117/4039642024-03-07T19:49:43Z2024-03-07T19:33:27ZStructural behaviour and plastic design of carbon and stainless steel frames in fire
Segura Valdivieso, Guillermo
(English) This thesis investigates the response of carbon and stainless steel frames in fire, and proposes new and more efficient approaches for their design. The investigation is mainly focused on one bay frames comprised by rectangular hollow sections (RHS) classified as Class 1 (i.e., plastic sections) and full-strength welded joints. In order to evaluate the behaviour of carbon and stainless steel frames under fire situation, advanced finite element models are developed aiming to reproduce both the global and local scale behaviour of these structures at elevated temperatures, besides being capable of modelling explicitly the welded joints in the frame discretization.
Based on these numerical models, a preliminary parametric study is presented, in which the performance of carbon and stainless steel frames at elevated temperatures is assessed, and the main factors conditioning the frames’ response are identified. From these preliminary results, a set of knowledge gaps are identified, which are subsequently addressed throughout the different chapters of this thesis.
First, an exhaustive parametric study on welded joints is carried out on both carbon and stainless steel tubular members under bending moment forces, which allows assessing the accuracy of the formulation prescribed in current European standards, and from which a new formulation for estimating the bending moment resistance of welded joints between RHS members is presented. The obtained results show a clear improvement compared to current design specifications, especially for stainless steel joints, as the new formulation accounts for strain hardening effects.
Subsequently, an extensive parametric study on carbon and stainless steel frames with plastic cross-sections and full-strength welded joints considering different techniques for modelling the connections is carried out, from which the influence of welded joints on the frame response is analysed, both at room temperature and under fire situation. The results demonstrate that frames modelled with explicit joints and with simplified rigid joints exhibited similar responses for the two design scenarios, confirming that joints classified as full-strength can be modelled as perfectly rigid joints for numerical purposes under fire situation too.
Based on the previous findings, the redistribution capacity of carbon and stainless steel frames under room temperature and fire conditions is studied numerically. The results obtained from the extensive finite element parametric study confirm the internal force redistribution capacity of carbon and stainless steel frames with plastic cross-sections and full-strength joints at room temperature, and demonstrate that these structures exhibit sufficient redistribution capacity to fail through the formation of plastic collapse mechanisms in fire situation too.
Finally, two new methods for determining the time fire resistance of carbon and stainless steel frames are presented: fire design based on advanced numerical models and new analytical plastic approach. For the first design approach based on FE analysis, a set of failure criteria are presented; the collapse is defined in an objective manner by limiting the displacement and displacement rates described by the frames. The second proposed method is a new analytical design approach based on global plastic analysis; this methodology is capable of taking into account the redistribution capacity of carbon and stainless steel structures in fire, as well as the second order effects derived from the horizontal drift of the frames and the overstrength provided by strain hardening for stainless steel structures. The two proposed methods are shown to improve significantly the accuracy of the estimated time fire resistances, demonstrating that a new and more effective way of designing steel structures is possible.; (Català) Aquesta tesi investiga la resposta de pòrtics d'acer al carboni i inoxidable a foc, i proposa nous enfocaments més eficients per al seu disseny. L'estudi es centra principalment en pòrtics simples, conformats per seccions rectangulars buides classificades com a Classe 1 (és a dir, seccions plàstiques) i unions soldades de resistència completa. Amb l'objectiu d'avaluar el comportament dels pòrtics d'acer al carboni i inoxidable en situació d'incendi s'han desenvolupat models numèrics avançats basats en els elements finits amb l'objectiu de reproduir tant el comportament a escala global com local d'aquestes estructures a elevades temperatures, a més de ser capaces de discretitzar de manera explicita unions soldades.
A partir d'aquests models numèrics, es presenta un estudi paramètric preliminar, en el qual s'avalua el comportament dels pòrtics d'acer al carboni i inoxidable a elevades temperatures, i s'identifiquen els principals factors que condicionen la resposta dels pòrtics. A partir d'aquests resultats preliminars, s'identifiquen un conjunt de mancances de coneixement, que posteriorment s'aborden al llarg dels diferents capítols d'aquesta tesi.
En primer lloc, es realitza un exhaustiu estudi paramètric centrat en unions soldades d'elements tubulars en acer al carboni i en acer inoxidable sotmeses a moment flector, que permet avaluar la precisió de la formulació prescrita en la normativa europea vigent, i a partir del qual es presenta una nova formulació per a estimar la resistència a moment flector d'unions soldades entre elements rectangulars buits.
Posteriorment, es duu a terme un extens estudi paramètric centrat en pòrtics d'acer al carboni i inoxidable amb seccions plàstiques i unions soldades de resistència completa considerant diferents tècniques per a modelitzar les unions. A partir del qual s'analitza la influència de les unions soldades en la resposta del pòrtic, tant a temperatura ambient com en situació d'incendi.
Basant-se en els resultats anteriors, es duu a terme un estudi numèric per a analitzar la capacitat de redistribució dels pòrtics d'acer al carboni i inoxidable a temperatura ambient i en condicions d'incendi. Els resultats obtinguts a partir de l'extens estudi paramètric basat en els elements finits confirmen la capacitat de redistribució d'esforços dels pòrtics de carboni i inoxidable amb seccions plàstiques i unions de resistència completa a temperatura ambient, i demostren que aquestes estructures presenten una capacitat de redistribució suficient per a fallar mitjançant el desenvolupament de mecanismes de col·lapse plàstic també en situació d'incendi.
Finalment, es presenten dos nous mètodes per a determinar el temps de resistència al foc de les estructures d'acer al carboni i inoxidable: per a quan es dissenya basat en models numèrics avançats i un nou enfocament plàstic analític. Per al primer mètode de disseny basat en anàlisi d'elements finits, es presenta un conjunt de criteris de fallada; el col·lapse es defineix de manera objectiva limitant el desplaçament i la velocitat de desplaçament descrites pels pòrtics. El segon mètode proposat és un nou enfocament de disseny analític basat en l'anàlisi global plàstic; aquesta metodologia és capaç de tenir en compte la capacitat de redistribució de les estructures d'acer al carboni i inoxidable en cas d'incendi, així com els efectes de segon ordre derivats de desplaçament horitzontal dels pòrtics i la sobreresistencia proporcionada per l'enduriment per deformació en les estructures d'acer inoxidable. A més, s'ha demostrat que els dos mètodes proposats milloren significativament la precisió de les resistències al foc estimades en el temps, la qual cosa demostra que és possible una forma nova i més eficaç de dissenyar estructures d'acer.; (Español) Esta tesis investiga la respuesta de pórticos de acero al carbono e inoxidable a fuego, y propone nuevos enfoques más eficientes para su diseño. El estudio centra principalmente en pórticos de un vano, conformados por secciones huecas rectangulares clasificadas como Clase 1 (es decir, secciones plásticas) y uniones soldadas de resistencia completa. Con el objetivo de evaluar el comportamiento de los pórticos de acero al carbono e inoxidable en situación de incendio, se han desarrollado modelos numéricos avanzados basados en los elementos finitos con el objetivo de reproducir tanto el comportamiento a escala global como local de estas estructuras a elevadas temperaturas, además de ser capaces de discretizar de manera explicita uniones soldadas.
A partir de estos modelos numéricos, se presenta un estudio paramétrico preliminar, en el que se evalúa el comportamiento de los pórticos de acero al carbono e inoxidable a elevadas temperaturas, y se identifican los principales factores que condicionan la respuesta de los pórticos. A partir de estos resultados preliminares, se identifican un conjunto de carencias de conocimiento, que posteriormente se abordan a lo largo de los diferentes capítulos de esta tesis.
En primer lugar, se realiza un exhaustivo estudio paramétrico centrado en uniones soldadas de elementos tubulares en acero al carbono y en acero inoxidable sometidas a momento flector, que permite evaluar la precisión de la formulación prescrita en la normativa europea vigente, y a partir del cual se presenta una nueva formulación para estimar la resistencia a momento flector de uniones soldadas entre elementos rectangulares huecos.
Posteriormente, se lleva a cabo un extenso estudio paramétrico centrado en pórticos de acero al carbono e inoxidable con secciones plásticas y uniones soldadas de resistencia completa considerando diferentes técnicas para modelizar las uniones. A partir del cual se analiza la influencia de las uniones soldadas en la respuesta del pórtico, tanto a temperatura ambiente como en situación de incendio.
Basándose en los resultados anteriores, se lleva a cabo un estudio numérico para analizar la capacidad de redistribución de los pórticos de acero al carbono e inoxidable a temperatura ambiente y en condiciones de incendio. Los resultados obtenidos a partir del extenso estudio paramétrico basado en los elementos finitos confirman la capacidad de redistribución de esfuerzos de los pórticos de carbono e inoxidable con secciones plásticas y uniones de resistencia completa a temperatura ambiente, y demuestran que estas estructuras presentan una capacidad de redistribución suficiente para fallar mediante el desarrollo de mecanismos de colapso plástico también en situación de incendio.
Por último, se presentan dos nuevos métodos para determinar el tiempo de resistencia al fuego de las estructuras de acero al carbono e inoxidable: para cuando se diseña basado en modelos numéricos avanzados y un nuevo enfoque plástico analítico. Para el primer método de diseño basado en análisis de elementos finitos, se presenta un conjunto de criterios de fallo; el colapso se define de forma objetiva limitando el desplazamiento y la velocidad de desplazamiento descritas por los pórticos. El segundo método propuesto es un nuevo enfoque de diseño analítico basado en el análisis global plástico; esta metodología es capaz de tener en cuenta la capacidad de redistribución de las estructuras de acero al carbono e inoxidable en caso de incendio, así como los efectos de segundo orden derivados del desplome horizontal de los pórticos y la sobreresistencia proporcionada por el endurecimiento por deformación en las estructuras de acero inoxidable. Además, se ha demostrado que los dos métodos propuestos mejoran significativamente la precisión de las resistencias al fuego estimadas en el tiempo, lo que demuestra que es posible una forma nueva y más eficaz de diseñar estructuras de acero.
Tesi amb continguts retallats per motius de confidencialitat
2024-03-07T19:33:27ZSegura Valdivieso, Guillermo(English) This thesis investigates the response of carbon and stainless steel frames in fire, and proposes new and more efficient approaches for their design. The investigation is mainly focused on one bay frames comprised by rectangular hollow sections (RHS) classified as Class 1 (i.e., plastic sections) and full-strength welded joints. In order to evaluate the behaviour of carbon and stainless steel frames under fire situation, advanced finite element models are developed aiming to reproduce both the global and local scale behaviour of these structures at elevated temperatures, besides being capable of modelling explicitly the welded joints in the frame discretization.
Based on these numerical models, a preliminary parametric study is presented, in which the performance of carbon and stainless steel frames at elevated temperatures is assessed, and the main factors conditioning the frames’ response are identified. From these preliminary results, a set of knowledge gaps are identified, which are subsequently addressed throughout the different chapters of this thesis.
First, an exhaustive parametric study on welded joints is carried out on both carbon and stainless steel tubular members under bending moment forces, which allows assessing the accuracy of the formulation prescribed in current European standards, and from which a new formulation for estimating the bending moment resistance of welded joints between RHS members is presented. The obtained results show a clear improvement compared to current design specifications, especially for stainless steel joints, as the new formulation accounts for strain hardening effects.
Subsequently, an extensive parametric study on carbon and stainless steel frames with plastic cross-sections and full-strength welded joints considering different techniques for modelling the connections is carried out, from which the influence of welded joints on the frame response is analysed, both at room temperature and under fire situation. The results demonstrate that frames modelled with explicit joints and with simplified rigid joints exhibited similar responses for the two design scenarios, confirming that joints classified as full-strength can be modelled as perfectly rigid joints for numerical purposes under fire situation too.
Based on the previous findings, the redistribution capacity of carbon and stainless steel frames under room temperature and fire conditions is studied numerically. The results obtained from the extensive finite element parametric study confirm the internal force redistribution capacity of carbon and stainless steel frames with plastic cross-sections and full-strength joints at room temperature, and demonstrate that these structures exhibit sufficient redistribution capacity to fail through the formation of plastic collapse mechanisms in fire situation too.
Finally, two new methods for determining the time fire resistance of carbon and stainless steel frames are presented: fire design based on advanced numerical models and new analytical plastic approach. For the first design approach based on FE analysis, a set of failure criteria are presented; the collapse is defined in an objective manner by limiting the displacement and displacement rates described by the frames. The second proposed method is a new analytical design approach based on global plastic analysis; this methodology is capable of taking into account the redistribution capacity of carbon and stainless steel structures in fire, as well as the second order effects derived from the horizontal drift of the frames and the overstrength provided by strain hardening for stainless steel structures. The two proposed methods are shown to improve significantly the accuracy of the estimated time fire resistances, demonstrating that a new and more effective way of designing steel structures is possible.
(Català) Aquesta tesi investiga la resposta de pòrtics d'acer al carboni i inoxidable a foc, i proposa nous enfocaments més eficients per al seu disseny. L'estudi es centra principalment en pòrtics simples, conformats per seccions rectangulars buides classificades com a Classe 1 (és a dir, seccions plàstiques) i unions soldades de resistència completa. Amb l'objectiu d'avaluar el comportament dels pòrtics d'acer al carboni i inoxidable en situació d'incendi s'han desenvolupat models numèrics avançats basats en els elements finits amb l'objectiu de reproduir tant el comportament a escala global com local d'aquestes estructures a elevades temperatures, a més de ser capaces de discretitzar de manera explicita unions soldades.
A partir d'aquests models numèrics, es presenta un estudi paramètric preliminar, en el qual s'avalua el comportament dels pòrtics d'acer al carboni i inoxidable a elevades temperatures, i s'identifiquen els principals factors que condicionen la resposta dels pòrtics. A partir d'aquests resultats preliminars, s'identifiquen un conjunt de mancances de coneixement, que posteriorment s'aborden al llarg dels diferents capítols d'aquesta tesi.
En primer lloc, es realitza un exhaustiu estudi paramètric centrat en unions soldades d'elements tubulars en acer al carboni i en acer inoxidable sotmeses a moment flector, que permet avaluar la precisió de la formulació prescrita en la normativa europea vigent, i a partir del qual es presenta una nova formulació per a estimar la resistència a moment flector d'unions soldades entre elements rectangulars buits.
Posteriorment, es duu a terme un extens estudi paramètric centrat en pòrtics d'acer al carboni i inoxidable amb seccions plàstiques i unions soldades de resistència completa considerant diferents tècniques per a modelitzar les unions. A partir del qual s'analitza la influència de les unions soldades en la resposta del pòrtic, tant a temperatura ambient com en situació d'incendi.
Basant-se en els resultats anteriors, es duu a terme un estudi numèric per a analitzar la capacitat de redistribució dels pòrtics d'acer al carboni i inoxidable a temperatura ambient i en condicions d'incendi. Els resultats obtinguts a partir de l'extens estudi paramètric basat en els elements finits confirmen la capacitat de redistribució d'esforços dels pòrtics de carboni i inoxidable amb seccions plàstiques i unions de resistència completa a temperatura ambient, i demostren que aquestes estructures presenten una capacitat de redistribució suficient per a fallar mitjançant el desenvolupament de mecanismes de col·lapse plàstic també en situació d'incendi.
Finalment, es presenten dos nous mètodes per a determinar el temps de resistència al foc de les estructures d'acer al carboni i inoxidable: per a quan es dissenya basat en models numèrics avançats i un nou enfocament plàstic analític. Per al primer mètode de disseny basat en anàlisi d'elements finits, es presenta un conjunt de criteris de fallada; el col·lapse es defineix de manera objectiva limitant el desplaçament i la velocitat de desplaçament descrites pels pòrtics. El segon mètode proposat és un nou enfocament de disseny analític basat en l'anàlisi global plàstic; aquesta metodologia és capaç de tenir en compte la capacitat de redistribució de les estructures d'acer al carboni i inoxidable en cas d'incendi, així com els efectes de segon ordre derivats de desplaçament horitzontal dels pòrtics i la sobreresistencia proporcionada per l'enduriment per deformació en les estructures d'acer inoxidable. A més, s'ha demostrat que els dos mètodes proposats milloren significativament la precisió de les resistències al foc estimades en el temps, la qual cosa demostra que és possible una forma nova i més eficaç de dissenyar estructures d'acer.
(Español) Esta tesis investiga la respuesta de pórticos de acero al carbono e inoxidable a fuego, y propone nuevos enfoques más eficientes para su diseño. El estudio centra principalmente en pórticos de un vano, conformados por secciones huecas rectangulares clasificadas como Clase 1 (es decir, secciones plásticas) y uniones soldadas de resistencia completa. Con el objetivo de evaluar el comportamiento de los pórticos de acero al carbono e inoxidable en situación de incendio, se han desarrollado modelos numéricos avanzados basados en los elementos finitos con el objetivo de reproducir tanto el comportamiento a escala global como local de estas estructuras a elevadas temperaturas, además de ser capaces de discretizar de manera explicita uniones soldadas.
A partir de estos modelos numéricos, se presenta un estudio paramétrico preliminar, en el que se evalúa el comportamiento de los pórticos de acero al carbono e inoxidable a elevadas temperaturas, y se identifican los principales factores que condicionan la respuesta de los pórticos. A partir de estos resultados preliminares, se identifican un conjunto de carencias de conocimiento, que posteriormente se abordan a lo largo de los diferentes capítulos de esta tesis.
En primer lugar, se realiza un exhaustivo estudio paramétrico centrado en uniones soldadas de elementos tubulares en acero al carbono y en acero inoxidable sometidas a momento flector, que permite evaluar la precisión de la formulación prescrita en la normativa europea vigente, y a partir del cual se presenta una nueva formulación para estimar la resistencia a momento flector de uniones soldadas entre elementos rectangulares huecos.
Posteriormente, se lleva a cabo un extenso estudio paramétrico centrado en pórticos de acero al carbono e inoxidable con secciones plásticas y uniones soldadas de resistencia completa considerando diferentes técnicas para modelizar las uniones. A partir del cual se analiza la influencia de las uniones soldadas en la respuesta del pórtico, tanto a temperatura ambiente como en situación de incendio.
Basándose en los resultados anteriores, se lleva a cabo un estudio numérico para analizar la capacidad de redistribución de los pórticos de acero al carbono e inoxidable a temperatura ambiente y en condiciones de incendio. Los resultados obtenidos a partir del extenso estudio paramétrico basado en los elementos finitos confirman la capacidad de redistribución de esfuerzos de los pórticos de carbono e inoxidable con secciones plásticas y uniones de resistencia completa a temperatura ambiente, y demuestran que estas estructuras presentan una capacidad de redistribución suficiente para fallar mediante el desarrollo de mecanismos de colapso plástico también en situación de incendio.
Por último, se presentan dos nuevos métodos para determinar el tiempo de resistencia al fuego de las estructuras de acero al carbono e inoxidable: para cuando se diseña basado en modelos numéricos avanzados y un nuevo enfoque plástico analítico. Para el primer método de diseño basado en análisis de elementos finitos, se presenta un conjunto de criterios de fallo; el colapso se define de forma objetiva limitando el desplazamiento y la velocidad de desplazamiento descritas por los pórticos. El segundo método propuesto es un nuevo enfoque de diseño analítico basado en el análisis global plástico; esta metodología es capaz de tener en cuenta la capacidad de redistribución de las estructuras de acero al carbono e inoxidable en caso de incendio, así como los efectos de segundo orden derivados del desplome horizontal de los pórticos y la sobreresistencia proporcionada por el endurecimiento por deformación en las estructuras de acero inoxidable. Además, se ha demostrado que los dos métodos propuestos mejoran significativamente la precisión de las resistencias al fuego estimadas en el tiempo, lo que demuestra que es posible una forma nueva y más eficaz de diseñar estructuras de acero.Activación alcalina de residuos urbanos e industriales para la construcción de piezas prefabricadasGarcía Díaz, Yineth Paolahttp://hdl.handle.net/2117/4039562024-03-08T08:32:13Z2024-03-07T19:31:31ZActivación alcalina de residuos urbanos e industriales para la construcción de piezas prefabricadas
García Díaz, Yineth Paola
(English) A comprehensive evaluation of various industrial and urban by-products was conducted to determine their potential as precursors
for alkali-activated materials (AAM) in Spain. Over 15 by-products were identified that could be used as precursors, classified into
four categories based on their chemical nature: glass, ceramics, steel slags, and spent fluid catalytic cracking catalyst. Multiple
chemical analysis techniques were applied to determine the composition and alkaline dissolution capacity of these materials, as well
as mechanical analysis to assess their consolidation and strength properties.
The results revealed that some by-products exhibited low reactivity due to their physical characteristics and chemical composition,
which required very specific activation conditions. However, within the experimental framework of the doctoral thesis, general
conditions were established to assess and evaluate as many by-products as possible. While activation was not achieved for all byproducts,
the required activation conditions were determined for each one.
Glass by-products, particularly the non-recyclable fraction of container glass (V-C+P), and ceramic by-products such as red brick
ceramics (RDC) and Testillo (TC), showed significant activation potential. After a series of experimental evaluations, optimal
activation conditions were established for V-C+P in paste, mortar, and concrete matrices: a activator-to-precursor ratio of 0.30, a 4M
NaOH activating solution with 1% sodium silicate by weight, a curing period of 48 hours at 70°C, a minimum average particle size of
0.3 mm or a specific surface area of 54 cm²/g. Prior to obtaining these values, the importance of fineness, dissolution capacity, the
real influence of amorphous content, and the limited effectiveness of traditional superplasticizers in AAMs was quantified.
Chemical and mechanical analyses of various pastes made with V-C+P, using different activation concentrations and activator-toprecursor
ratios, revealed that the primary reaction products were C-S-H and N-A-S-H, comprising up to 28% of the total mass.
These chemical transformations involved the predominant conversion of Si-O-Si bonds to Si-O-Na, and the presence of a long-term
compound contributing to the observed resistance was detected in FT-IR and possibly XRD analyses.
Based on the results obtained, an improved formulation of AAM was defined by adding 10% cement, serving as the basis for
prefabricated element analysis. Additionally, an optimized formulation combining ceramic by-products with 30% V-C+P was
presented, yielding highly favorable results.
The AAM obtained, through the implementation of suitable industrial scaling and optimized grinding and curing processes,
demonstrates significant potential for the production of low-carbon footprint precast building elements. This AAM not only ensures
efficient utilization of materials but also reduces cement consumption by 90%. Furthermore, it is demonstrated that even by
combining glass precursors with Testillo-type ceramic precursors, an alternative material with high mechanical strength that meets
the required fineness criteria set by applicable regulations can be achieved. In conclusion, this research confirms that the AAM
obtained from the non-recyclable fraction of glass meets the established technical requirements, despite current regulations
restricting its implementation as a sole binder material for precast building elements.; (Català) En la recerca del contexte d'aquesta tesis doctoral, es va dur a terme una avaluació química de diversos subproductes industrials i
urbans per tal d'establir-ne el potencial com a precursors en la producció de materials activats alcalinament (MAA) a Espanya. Es
van identificar més de 15 subproductes que podrien emprar-se com a precursors, els quals es van classificar segons la seva
naturalesa química, diferenciant-se en quatre tipologies: vidres, ceràmics, escòries d'acer i catalitzadors de craqueig catalític. Per a
cadascun d'aquests materials, es van aplicar diverses tècniques d'anàlisis químiques per tal de determinar-ne la composició, la
capacitat de dissolució en mitjans alcalins, així com anàlisis mecàniques per avaluar-ne la seva capacitat mecànica.
Els resultats posen de manifest que alguns subproductes no tenien reactivitat a causa de les característiques físiques i la seva
composició química, els quals requerien condicions d'activació molt específiques, però en el marc del programa experimental de la
tesi doctoral, calia establir criteris generals que permetessin la comparació de la major quantitat possible de subproductes. Tot i
que no s'ha aconseguit l'activació de tots els subproductes, s'ha aconseguit establir les condicions d'activació requerides per a
cadascun d'aquests.
Van destacar especialment els subproductes de vidre, en particular la fracció no reciclable de vidre de contenidor denominada (VC+
P), així com els subproductes ceràmics de maó vermell (RDC) i testillo cuit (TC), els quals van mostrar un major potencial
d'activació. Després d'una sèrie d'avaluacions experimentals, en les quals es van definir les condicions d'activació òptimes, el VC+
P va exhibir un rendiment excel·lent. Per a aquest material en particular, es van establir les condicions d'activació òptimes
següents en matrius de pasta, morter i formigó: una relació activador/precursor de 0,30, una solució activadora de NaOH 4M amb
un 1% de silicat de sodi en pes, un període de curat de 48 hores a una temperatura de 70°C, una mida mitjana de partícula mínima
de 0,3 mm o una superfície específica de 54 cm²/g. Prèviament a l'obtenció d'aquests valors, es va aconseguir quantificar la
importància de la finor, la capacitat de dissolució, la influència real del percentatge amorf i la limitada eficàcia dels superplastificants
tradicionals als MAA.
A través d'anàlisis químiques i mecàniques de diverses pastes elaborades amb V-C+P, sota diferents concentracions d'activador i
relacions activador/precursor, es va determinar que els principals productes de reacció van ser el C-S-H i el N-A-S-H, arribant a
representar fins a un 28 % de la massa total. Aquestes transformacions químiques es van caracteritzar per la conversió
predominant d'enllaços Si-O-Si a Si-O-Na, i és possible que a llarg termini es detecti la presència d'un compost que contribueix a la
resistència, tal com s'evidencia a les anàlisis FT-IR i possiblement a DRX.
A partir dels resultats obtinguts, es va definir una formulació millorada de MAA mitjançant l'addició del 10% de ciment, que va ser la
base per a l'anàlisi dels elements prefabricats. Com a última optimització, es presenta una formulació addicional que combina
subproductes ceràmics amb un 30% de V-C+P, obtenint resultats altament favorables.
El MAA obtingut, mitjançant la implementació d'un escalat industrial adequat i un procés de mòlta i curat optimitzat, mostra un
potencial destacat per a la fabricació de prefabricats de baixa empremta de carboni. En conclusió, aquesta investigació corrobora
que el MAA obtingut a partir de la fracció no reciclable de vidre compleix els requisits tècnics establerts, tot i que la normativa actual
restringeix la seva implementació com a cimentant únic en elements prefabricats per a construcció.; (Español) Se llevó a cabo una evaluación exhaustiva de diversos subproductos industriales y urbanos con el fin de establecer su potencial
como precursores en la producción de materiales activados alcalinamente (MAA) en España. Se identificaron más de 15
subproductos que podrían emplearse como precursores, los cuales se clasificaron según su naturaleza química, diferenciándose
en cuatro tipologías: vidrios, cerámicos, escorias de acero y catalizadores gastados de craqueo catalítico. Para cada uno de estos
materiales, se aplicaron varias técnicas de análisis químicos a fin de determinar su composición, su capacidad de disolución en
medios alcalinos, así como análisis mecánicos para evaluar su capacidad de consolidación y resistencia.
Los resultados revelan que algunos subproductos carecían de reactividad debido a las características físicas y su composición
química, los cuales requerían condiciones de activación muy específicas, pero en el marco del programa experimental de la tesis
doctoral, era necesario establecer criterios generales que permitieran la comparación de la mayor cantidad posible de
subproductos. Aunque no se logró la activación de todos los subproductos, se logró establecer las condiciones de activación
requeridas para cada uno de ellos.
Destacaron especialmente los subproductos de vidrio, en particular la fracción no reciclable de vidrio de contenedor denominada
(V-C+P), así como los subproductos cerámicos de ladrillo rojo (RDC) y Testillo cocido (TC), los cuales mostraron un mayor
potencial de activación. Tras una serie de evaluaciones experimentales, en las cuales se definieron las condiciones óptimas de
activación, el V-C+P exhibió un rendimiento sobresaliente. Para este material en particular, se establecieron las siguientes
condiciones de activación óptimas en matrices de pasta, mortero y hormigón: una relación activador/precursor de 0,30, una
solución activadora de NaOH 4M con un 1% de silicato de sodio en peso, un período de curado de 48 horas a una temperatura de
70°C, un tamaño promedio de partícula mínimo de 0,3 mm o una superficie específica de 54 cm²/g. Previamente a la obtención de
estos valores, se logró cuantificar la importancia de la finura, la capacidad de disolución, la influencia real del porcentaje amorfo y la
limitada eficacia de los superplastificantes tradicionales en los MAA.
A través de análisis químicos y mecánicos de diversas pastas elaboradas con V-C+P, bajo distintas concentraciones de activador y
relaciones activador/precursor, se determinó que los principales productos de reacción fueron el C-S-H y el N-A-S-H, llegando a
representar hasta un 28% de la masa total. Dichas transformaciones químicas se caracterizaron por la conversión predominante
de enlaces Si-O-Si a Si-O-Na, y es posible que a largo plazo se detecte la presencia de un compuesto que contribuye a la
resistencia, tal como se evidencia en los análisis FT-IR y posiblemente en DRX.
A partir de los resultados obtenidos, se definió una formulación mejorada de MAA mediante la adición del 10% de cemento, el cual
fue la base para el análisis de los elementos prefabricados. Como ultima optimización, se presenta una formulación adicional que
combina subproductos cerámicos con un 30% de V-C+P, obteniendo resultados altamente favorables.
El MAA obtenido, mediante la implementación de un escalado industrial adecuado y un proceso de molienda y curado optimizado,
muestra un destacado potencial para la fabricación de prefabricados de baja huella de carbono. En conclusión, la presente
investigación corrobora que el MAA obtenido a partir de la fracción no reciclable de vidrio cumple con los requisitos técnicos
establecidos, a pesar de que la normativa actual restringe su implementación como cementante único en elementos prefabricados
para construcción.
2024-03-07T19:31:31ZGarcía Díaz, Yineth Paola(English) A comprehensive evaluation of various industrial and urban by-products was conducted to determine their potential as precursors
for alkali-activated materials (AAM) in Spain. Over 15 by-products were identified that could be used as precursors, classified into
four categories based on their chemical nature: glass, ceramics, steel slags, and spent fluid catalytic cracking catalyst. Multiple
chemical analysis techniques were applied to determine the composition and alkaline dissolution capacity of these materials, as well
as mechanical analysis to assess their consolidation and strength properties.
The results revealed that some by-products exhibited low reactivity due to their physical characteristics and chemical composition,
which required very specific activation conditions. However, within the experimental framework of the doctoral thesis, general
conditions were established to assess and evaluate as many by-products as possible. While activation was not achieved for all byproducts,
the required activation conditions were determined for each one.
Glass by-products, particularly the non-recyclable fraction of container glass (V-C+P), and ceramic by-products such as red brick
ceramics (RDC) and Testillo (TC), showed significant activation potential. After a series of experimental evaluations, optimal
activation conditions were established for V-C+P in paste, mortar, and concrete matrices: a activator-to-precursor ratio of 0.30, a 4M
NaOH activating solution with 1% sodium silicate by weight, a curing period of 48 hours at 70°C, a minimum average particle size of
0.3 mm or a specific surface area of 54 cm²/g. Prior to obtaining these values, the importance of fineness, dissolution capacity, the
real influence of amorphous content, and the limited effectiveness of traditional superplasticizers in AAMs was quantified.
Chemical and mechanical analyses of various pastes made with V-C+P, using different activation concentrations and activator-toprecursor
ratios, revealed that the primary reaction products were C-S-H and N-A-S-H, comprising up to 28% of the total mass.
These chemical transformations involved the predominant conversion of Si-O-Si bonds to Si-O-Na, and the presence of a long-term
compound contributing to the observed resistance was detected in FT-IR and possibly XRD analyses.
Based on the results obtained, an improved formulation of AAM was defined by adding 10% cement, serving as the basis for
prefabricated element analysis. Additionally, an optimized formulation combining ceramic by-products with 30% V-C+P was
presented, yielding highly favorable results.
The AAM obtained, through the implementation of suitable industrial scaling and optimized grinding and curing processes,
demonstrates significant potential for the production of low-carbon footprint precast building elements. This AAM not only ensures
efficient utilization of materials but also reduces cement consumption by 90%. Furthermore, it is demonstrated that even by
combining glass precursors with Testillo-type ceramic precursors, an alternative material with high mechanical strength that meets
the required fineness criteria set by applicable regulations can be achieved. In conclusion, this research confirms that the AAM
obtained from the non-recyclable fraction of glass meets the established technical requirements, despite current regulations
restricting its implementation as a sole binder material for precast building elements.
(Català) En la recerca del contexte d'aquesta tesis doctoral, es va dur a terme una avaluació química de diversos subproductes industrials i
urbans per tal d'establir-ne el potencial com a precursors en la producció de materials activats alcalinament (MAA) a Espanya. Es
van identificar més de 15 subproductes que podrien emprar-se com a precursors, els quals es van classificar segons la seva
naturalesa química, diferenciant-se en quatre tipologies: vidres, ceràmics, escòries d'acer i catalitzadors de craqueig catalític. Per a
cadascun d'aquests materials, es van aplicar diverses tècniques d'anàlisis químiques per tal de determinar-ne la composició, la
capacitat de dissolució en mitjans alcalins, així com anàlisis mecàniques per avaluar-ne la seva capacitat mecànica.
Els resultats posen de manifest que alguns subproductes no tenien reactivitat a causa de les característiques físiques i la seva
composició química, els quals requerien condicions d'activació molt específiques, però en el marc del programa experimental de la
tesi doctoral, calia establir criteris generals que permetessin la comparació de la major quantitat possible de subproductes. Tot i
que no s'ha aconseguit l'activació de tots els subproductes, s'ha aconseguit establir les condicions d'activació requerides per a
cadascun d'aquests.
Van destacar especialment els subproductes de vidre, en particular la fracció no reciclable de vidre de contenidor denominada (VC+
P), així com els subproductes ceràmics de maó vermell (RDC) i testillo cuit (TC), els quals van mostrar un major potencial
d'activació. Després d'una sèrie d'avaluacions experimentals, en les quals es van definir les condicions d'activació òptimes, el VC+
P va exhibir un rendiment excel·lent. Per a aquest material en particular, es van establir les condicions d'activació òptimes
següents en matrius de pasta, morter i formigó: una relació activador/precursor de 0,30, una solució activadora de NaOH 4M amb
un 1% de silicat de sodi en pes, un període de curat de 48 hores a una temperatura de 70°C, una mida mitjana de partícula mínima
de 0,3 mm o una superfície específica de 54 cm²/g. Prèviament a l'obtenció d'aquests valors, es va aconseguir quantificar la
importància de la finor, la capacitat de dissolució, la influència real del percentatge amorf i la limitada eficàcia dels superplastificants
tradicionals als MAA.
A través d'anàlisis químiques i mecàniques de diverses pastes elaborades amb V-C+P, sota diferents concentracions d'activador i
relacions activador/precursor, es va determinar que els principals productes de reacció van ser el C-S-H i el N-A-S-H, arribant a
representar fins a un 28 % de la massa total. Aquestes transformacions químiques es van caracteritzar per la conversió
predominant d'enllaços Si-O-Si a Si-O-Na, i és possible que a llarg termini es detecti la presència d'un compost que contribueix a la
resistència, tal com s'evidencia a les anàlisis FT-IR i possiblement a DRX.
A partir dels resultats obtinguts, es va definir una formulació millorada de MAA mitjançant l'addició del 10% de ciment, que va ser la
base per a l'anàlisi dels elements prefabricats. Com a última optimització, es presenta una formulació addicional que combina
subproductes ceràmics amb un 30% de V-C+P, obtenint resultats altament favorables.
El MAA obtingut, mitjançant la implementació d'un escalat industrial adequat i un procés de mòlta i curat optimitzat, mostra un
potencial destacat per a la fabricació de prefabricats de baixa empremta de carboni. En conclusió, aquesta investigació corrobora
que el MAA obtingut a partir de la fracció no reciclable de vidre compleix els requisits tècnics establerts, tot i que la normativa actual
restringeix la seva implementació com a cimentant únic en elements prefabricats per a construcció.
(Español) Se llevó a cabo una evaluación exhaustiva de diversos subproductos industriales y urbanos con el fin de establecer su potencial
como precursores en la producción de materiales activados alcalinamente (MAA) en España. Se identificaron más de 15
subproductos que podrían emplearse como precursores, los cuales se clasificaron según su naturaleza química, diferenciándose
en cuatro tipologías: vidrios, cerámicos, escorias de acero y catalizadores gastados de craqueo catalítico. Para cada uno de estos
materiales, se aplicaron varias técnicas de análisis químicos a fin de determinar su composición, su capacidad de disolución en
medios alcalinos, así como análisis mecánicos para evaluar su capacidad de consolidación y resistencia.
Los resultados revelan que algunos subproductos carecían de reactividad debido a las características físicas y su composición
química, los cuales requerían condiciones de activación muy específicas, pero en el marco del programa experimental de la tesis
doctoral, era necesario establecer criterios generales que permitieran la comparación de la mayor cantidad posible de
subproductos. Aunque no se logró la activación de todos los subproductos, se logró establecer las condiciones de activación
requeridas para cada uno de ellos.
Destacaron especialmente los subproductos de vidrio, en particular la fracción no reciclable de vidrio de contenedor denominada
(V-C+P), así como los subproductos cerámicos de ladrillo rojo (RDC) y Testillo cocido (TC), los cuales mostraron un mayor
potencial de activación. Tras una serie de evaluaciones experimentales, en las cuales se definieron las condiciones óptimas de
activación, el V-C+P exhibió un rendimiento sobresaliente. Para este material en particular, se establecieron las siguientes
condiciones de activación óptimas en matrices de pasta, mortero y hormigón: una relación activador/precursor de 0,30, una
solución activadora de NaOH 4M con un 1% de silicato de sodio en peso, un período de curado de 48 horas a una temperatura de
70°C, un tamaño promedio de partícula mínimo de 0,3 mm o una superficie específica de 54 cm²/g. Previamente a la obtención de
estos valores, se logró cuantificar la importancia de la finura, la capacidad de disolución, la influencia real del porcentaje amorfo y la
limitada eficacia de los superplastificantes tradicionales en los MAA.
A través de análisis químicos y mecánicos de diversas pastas elaboradas con V-C+P, bajo distintas concentraciones de activador y
relaciones activador/precursor, se determinó que los principales productos de reacción fueron el C-S-H y el N-A-S-H, llegando a
representar hasta un 28% de la masa total. Dichas transformaciones químicas se caracterizaron por la conversión predominante
de enlaces Si-O-Si a Si-O-Na, y es posible que a largo plazo se detecte la presencia de un compuesto que contribuye a la
resistencia, tal como se evidencia en los análisis FT-IR y posiblemente en DRX.
A partir de los resultados obtenidos, se definió una formulación mejorada de MAA mediante la adición del 10% de cemento, el cual
fue la base para el análisis de los elementos prefabricados. Como ultima optimización, se presenta una formulación adicional que
combina subproductos cerámicos con un 30% de V-C+P, obteniendo resultados altamente favorables.
El MAA obtenido, mediante la implementación de un escalado industrial adecuado y un proceso de molienda y curado optimizado,
muestra un destacado potencial para la fabricación de prefabricados de baja huella de carbono. En conclusión, la presente
investigación corrobora que el MAA obtenido a partir de la fracción no reciclable de vidrio cumple con los requisitos técnicos
establecidos, a pesar de que la normativa actual restringe su implementación como cementante único en elementos prefabricados
para construcción.Modeling of container throughput in the European port system-analysis of container liner shipping networksStamatopoulos, Georgioshttp://hdl.handle.net/2117/4036312024-03-03T19:48:27Z2024-03-03T19:31:21ZModeling of container throughput in the European port system-analysis of container liner shipping networks
Stamatopoulos, Georgios
(English) This thesis records the evolution of the container throughput dynamics of the European port system from 2001-2020, analyses the dynamics of the European container port hierarchy with methodologies that have not been used in that context, applies network analysis on the liner shipping networks of individual shipping companies and proposes a model for short-term forecasts of container throughput and their accompanying prediction intervals.
Chapter 2 explores the dynamics of container throughput in the European port system from 2001-2020 at the level both of groups of ports and individual ports (Notteboom, 2010). The evolution of the container throughput is examined by the application of concentration indicators. The market share of port groups or ports in the total throughput of the system, the normalized Herfindahl–Hirschman Index and a customized form of shift-share analysis are used for this purpose. The influence of the two crises that occurred during the examined period, the global financial crisis of 2009 and the health crisis of 2020, on the container throughput dynamics is explored.
The dynamics of the European container port hierarchy are analyzed in chapter 3 by the application of 3 methodologies. First, two types of rank-size models are used in order to investigate the formation of the hierarchies and the dynamics of container throughput distribution. Second, a methodology based on the principals of Analytic Hierarchy Process (AHP) combined with an allometric growth model is introduced in order to explore the relative growth of large ports as a group upon groups of medium-sized and small ports. Third, a Markov chain modeling is applied in order to investigate the mobility of ports within the hierarchy of the European container port system. The dataset that is used in all the methodologies consists of the annual container port throughputs in TEUs of the top-100 European container ports for every year between 2001 and 2020.
Chapter 4 analyzes the container liner shipping networks of the liner operators of Maersk and COSCO Shipping in 2001, 2007 and 2010. First, the whole network of the carriers is analyzed through global network indicators and visualization of the networks. Second, the shipping networks are investigated for the presence of complex network properties by fitting a power law distribution to the degree distribution of the networks. Third, the positions of the ports in the companies’ networks are explored by calculating their degree and betweenness centrality. Fourth, the weighted degree of the ports and the strongest inter-port links are presented using the frequency (weekly calls) as weight of the links. Finally, the chapter focuses on the regional networks of the companies and their evolution.
A combined SARIMA-(G) ARCH model is proposed in chapter 5 in order to produce short-term forecasts of container throughput and prediction intervals of these forecasts. The uncertainty of the forecasts is expressed by the prediction intervals associated with the point forecasts. The point forecasts are generated form the SARIMA part of the model and the prediction intervals from the ARCH or GARCH part. ARCH/GARCH models are used in order to model and forecast the volatility of container throughput time series. The combined SARIMA-(G)ARCH model is applied to monthly container throughput data of the port of Barcelona in order to produce short-term point forecasts and its accompanying prediction intervals.; (Español) Esta tesis a) registra la evolución de la dinámica del tráfico de contenedores del sistema portuario europeo desde 2001-2020 b) analiza la dinámica de la jerarquía portuaria de contenedores europea con metodologías que no se han utilizado en ese contexto c) aplica el análisis de redes en las redes de transporte marítimo de línea de compañías navieras individuales y d) propone un modelo de pronósticos del movimiento de contenedores a corto plazo y de los intervalos de predicción correspondientes.
El capítulo 2 explora la dinámica del tráfico de contenedores en el sistema portuario europeo entre 2001 y 2020, tanto a nivel de conjuntos de puertos como de casos individuales (Notteboom, 2010). La evolución del movimiento de contenedores se examina mediante la aplicación de indicadores de concentración. Para este propósito, se utiliza la cuota del mercado de los grupos portuarios o puertos en el rendimiento total del sistema, el índice Herfindahl-Hirschman normalizado y una forma de “shift-share” análisis adaptada. Se explora también la influencia en la dinámica del tráfico de contenedores de los dos crisis que ocurrieron durante el periodo examinado, es decir la crisis financiera mundial de 2009 y la crisis de salud de 2020.
En el capítulo 3 se analiza la dinámica de la jerarquía portuaria europea de contenedores mediante la aplicación de 3 metodologías. En primer lugar, se utilizan dos tipos de modelos de tamaño de rango para investigar la formación de las jerarquías y la dinámica de la distribución del rendimiento de los contenedores. En segundo lugar, se introduce una metodología basada en los principios del Proceso Jerárquico Analítico (AHP) combinado con un modelo de crecimiento alométrico para explorar el crecimiento relativo de los puertos grandes como grupo sobre grupos de puertos medianos y pequeños. En tercer lugar, se aplica un modelo de cadena de Markov para investigar la movilidad de los puertos dentro de la jerarquía del sistema portuario europeo de contenedores. El conjunto de datos que se utiliza en todas las metodologías consiste en el rendimiento anual de los puertos de contenedores en TEU de los 100 principales puertos de contenedores europeos cada año entre 2001 y 2020.
El capítulo 4 analiza las redes de transporte marítimo de contenedores de línea de los operadores Maersk y COSCO Shipping en 2001, 2007 y 2010. Primero, toda la red de los operadores se analiza a través de indicadores de red global y visualización de las redes. En segundo lugar, la red de transporte marítimo se investiga en busca de propiedades de red complejas ajustando una distribución de ley de la potencia a la distribución de grados de las redes. En tercer lugar, se exploran las posiciones de los puertos en las redes de las empresas calculando su centralidad de grado y su centralidad de intermediación. En cuarto lugar, se presenta el grado ponderado de los puertos y los enlaces interportuarios más fuertes utilizando la frecuencia (llamadas semanales) como peso de los enlaces. Finalmente, el capítulo se centra en las redes regionales de las empresas y su evolución.
En el capítulo 5 se propone un modelo combinado SARIMA-(G) ARCH para producir pronósticos a corto plazo del movimiento de contenedores e intervalos de predicción de estos pronósticos. La incertidumbre de los pronósticos se expresa mediante los intervalos de predicción asociados con los pronósticos puntuales. Los pronósticos puntuales se generan a partir de la parte SARIMA y los intervalos de predicción a partir de la parte ARCH o GARCH. Los modelos ARCH/GARCH se utilizan para que se modele y pronostique la volatilidad de las series temporales de rendimiento de contenedores. El modelo SARIMA-(G)ARCH se aplica a los datos mensuales de tráfico de contenedores del puerto de Barcelona para producir pronósticos puntuales a corto plazo y los intervalos de predicción que lo acompañan.
2024-03-03T19:31:21ZStamatopoulos, Georgios(English) This thesis records the evolution of the container throughput dynamics of the European port system from 2001-2020, analyses the dynamics of the European container port hierarchy with methodologies that have not been used in that context, applies network analysis on the liner shipping networks of individual shipping companies and proposes a model for short-term forecasts of container throughput and their accompanying prediction intervals.
Chapter 2 explores the dynamics of container throughput in the European port system from 2001-2020 at the level both of groups of ports and individual ports (Notteboom, 2010). The evolution of the container throughput is examined by the application of concentration indicators. The market share of port groups or ports in the total throughput of the system, the normalized Herfindahl–Hirschman Index and a customized form of shift-share analysis are used for this purpose. The influence of the two crises that occurred during the examined period, the global financial crisis of 2009 and the health crisis of 2020, on the container throughput dynamics is explored.
The dynamics of the European container port hierarchy are analyzed in chapter 3 by the application of 3 methodologies. First, two types of rank-size models are used in order to investigate the formation of the hierarchies and the dynamics of container throughput distribution. Second, a methodology based on the principals of Analytic Hierarchy Process (AHP) combined with an allometric growth model is introduced in order to explore the relative growth of large ports as a group upon groups of medium-sized and small ports. Third, a Markov chain modeling is applied in order to investigate the mobility of ports within the hierarchy of the European container port system. The dataset that is used in all the methodologies consists of the annual container port throughputs in TEUs of the top-100 European container ports for every year between 2001 and 2020.
Chapter 4 analyzes the container liner shipping networks of the liner operators of Maersk and COSCO Shipping in 2001, 2007 and 2010. First, the whole network of the carriers is analyzed through global network indicators and visualization of the networks. Second, the shipping networks are investigated for the presence of complex network properties by fitting a power law distribution to the degree distribution of the networks. Third, the positions of the ports in the companies’ networks are explored by calculating their degree and betweenness centrality. Fourth, the weighted degree of the ports and the strongest inter-port links are presented using the frequency (weekly calls) as weight of the links. Finally, the chapter focuses on the regional networks of the companies and their evolution.
A combined SARIMA-(G) ARCH model is proposed in chapter 5 in order to produce short-term forecasts of container throughput and prediction intervals of these forecasts. The uncertainty of the forecasts is expressed by the prediction intervals associated with the point forecasts. The point forecasts are generated form the SARIMA part of the model and the prediction intervals from the ARCH or GARCH part. ARCH/GARCH models are used in order to model and forecast the volatility of container throughput time series. The combined SARIMA-(G)ARCH model is applied to monthly container throughput data of the port of Barcelona in order to produce short-term point forecasts and its accompanying prediction intervals.
(Español) Esta tesis a) registra la evolución de la dinámica del tráfico de contenedores del sistema portuario europeo desde 2001-2020 b) analiza la dinámica de la jerarquía portuaria de contenedores europea con metodologías que no se han utilizado en ese contexto c) aplica el análisis de redes en las redes de transporte marítimo de línea de compañías navieras individuales y d) propone un modelo de pronósticos del movimiento de contenedores a corto plazo y de los intervalos de predicción correspondientes.
El capítulo 2 explora la dinámica del tráfico de contenedores en el sistema portuario europeo entre 2001 y 2020, tanto a nivel de conjuntos de puertos como de casos individuales (Notteboom, 2010). La evolución del movimiento de contenedores se examina mediante la aplicación de indicadores de concentración. Para este propósito, se utiliza la cuota del mercado de los grupos portuarios o puertos en el rendimiento total del sistema, el índice Herfindahl-Hirschman normalizado y una forma de “shift-share” análisis adaptada. Se explora también la influencia en la dinámica del tráfico de contenedores de los dos crisis que ocurrieron durante el periodo examinado, es decir la crisis financiera mundial de 2009 y la crisis de salud de 2020.
En el capítulo 3 se analiza la dinámica de la jerarquía portuaria europea de contenedores mediante la aplicación de 3 metodologías. En primer lugar, se utilizan dos tipos de modelos de tamaño de rango para investigar la formación de las jerarquías y la dinámica de la distribución del rendimiento de los contenedores. En segundo lugar, se introduce una metodología basada en los principios del Proceso Jerárquico Analítico (AHP) combinado con un modelo de crecimiento alométrico para explorar el crecimiento relativo de los puertos grandes como grupo sobre grupos de puertos medianos y pequeños. En tercer lugar, se aplica un modelo de cadena de Markov para investigar la movilidad de los puertos dentro de la jerarquía del sistema portuario europeo de contenedores. El conjunto de datos que se utiliza en todas las metodologías consiste en el rendimiento anual de los puertos de contenedores en TEU de los 100 principales puertos de contenedores europeos cada año entre 2001 y 2020.
El capítulo 4 analiza las redes de transporte marítimo de contenedores de línea de los operadores Maersk y COSCO Shipping en 2001, 2007 y 2010. Primero, toda la red de los operadores se analiza a través de indicadores de red global y visualización de las redes. En segundo lugar, la red de transporte marítimo se investiga en busca de propiedades de red complejas ajustando una distribución de ley de la potencia a la distribución de grados de las redes. En tercer lugar, se exploran las posiciones de los puertos en las redes de las empresas calculando su centralidad de grado y su centralidad de intermediación. En cuarto lugar, se presenta el grado ponderado de los puertos y los enlaces interportuarios más fuertes utilizando la frecuencia (llamadas semanales) como peso de los enlaces. Finalmente, el capítulo se centra en las redes regionales de las empresas y su evolución.
En el capítulo 5 se propone un modelo combinado SARIMA-(G) ARCH para producir pronósticos a corto plazo del movimiento de contenedores e intervalos de predicción de estos pronósticos. La incertidumbre de los pronósticos se expresa mediante los intervalos de predicción asociados con los pronósticos puntuales. Los pronósticos puntuales se generan a partir de la parte SARIMA y los intervalos de predicción a partir de la parte ARCH o GARCH. Los modelos ARCH/GARCH se utilizan para que se modele y pronostique la volatilidad de las series temporales de rendimiento de contenedores. El modelo SARIMA-(G)ARCH se aplica a los datos mensuales de tráfico de contenedores del puerto de Barcelona para producir pronósticos puntuales a corto plazo y los intervalos de predicción que lo acompañan.Real-time solutions of parametric thermo-hydro-mechanical problems with proper generalized decompositionMoaven, Arashhttp://hdl.handle.net/2117/4035482024-03-01T10:01:54Z2024-02-29T19:30:44ZReal-time solutions of parametric thermo-hydro-mechanical problems with proper generalized decomposition
Moaven, Arash
(English) The Proper Generalized Decomposition (PGD) is a mathematical framework belonging to the Model Order Reduction (MOR) class of techniques. To the best of the author's knowledge, this methodology has not been applied to transient coupled Thermo-Hydro-Mechanical (THM) problems in porous media. THM models have been developed for various geo-environmental applications, such as enhanced oil recovery, geothermal energy extraction, and deep geological repositories. This thesis studies the application of the PGD technique to THM problems, drawing inspiration from the concept of deep geological repositories. The study demonstrates how the PGD methodology can be used to obtain real-time solutions to THM problems, using a simplified deep geological repository as an example.
The developed generalized solutions provided by PGD are perfectly suited to be used in multi-query situations, such as parameter identification and calibration procedures, optimization, or uncertainty quantification. The extremely fast response obtained after the training phase opens the doors to real-time inversions, control situations, or simply increasing the accuracy of the inverse identification procedures by allowing a much larger number of evaluations of the objective function when compared to traditional discretization techniques.
This work presents two main contributions. First, it provides a detailed description of the separated discrete operators that are required in the PGD methodology when material parameters, geometrical parameters, or a combination of both are considered. This is done in the context of transient coupled THM problems. Second, the study investigates several configurations related to the use of the PGD methodology in the context of coupled problems and transient problems.
Two models of a simplified deep geological repository problem are presented to show the capabilities of the proposed methodology. The first one is parametrized by the physical properties of the host rock (elastic modulus, thermal conductivity, hydraulic conductivity). This would be useful, for example, in the solution of an inverse problem to characterize the actual properties of the rock. The second model addresses a geometrical parametrization that controls the distance between the canisters when the repository is set to a grid canister. This is intended for the study and design the repository and to determine, for example, an optimal distance avoiding temperature runouts.
The study as a whole employs a combination of techniques (PGD with coupled THM in porous media) to produce a range of solutions and an efficient solver that functions in real-time.; (Español) En este trabajo se proponen métodos numéricos basados en la técnica de Proper Generalized Decomposition (PGD) para la solución de problemas Termo-Hidro-Mecánicos (THM). Esta clase de problemas se surge de una gran cantidad de aplicaciones en ingeniería. Algunos ejemplos son las aplicaciones geoambientales, como la recuperación mejorada de petróleo, la extracción de energía geotérmica y los repositorios geológicos profundos. En esta tesis se centra en la aplicación de PGD a problemas THM en particular para problemas de almacenaje de residuos radioactivos en repositorios geológicos profundos. Una característica de esta aplicación es que comúnmente es difícil conocer con precisión las propiedades físicas de las rocas en profundidad. Esto lleva a la necesidad de resolver problemas inversos para identificar estás propiedades y esto requiere de muchas y costosas soluciones de las ecuaciones involucradas.
En esta tesis se propone una metodología numérica que permite la evaluación de problemas THM en tiempo real, de manera que cualquier problema inverso se vuelve barato incluso cuando requiera de miles de evaluaciones. Las “soluciones generalizadas” producidas por PGD son adecuadas para ser utilizadas en situaciones de “múltiples consultas”, como la identificación y calibración de parámetros, la optimización o la cuantificación de incertidumbres. La respuesta extremadamente rápida obtenida después de la fase de entrenamiento abre las puertas a inversiones en tiempo real, situaciones de control o simplemente aumenta la precisión de los procedimientos de identificación inversa al permitir un número mucho mayor de evaluaciones de la función objetivo en comparación con las técnicas de discretización tradicionales.
Este trabajo presenta dos contribuciones principales. En primer lugar, proporciona una descripción detallada de los operadores discretos separados que son necesarios en la metodología PGD cuando se consideran parámetros materiales, parámetros geométricos o una combinación de ambos. Esto se hace en el contexto de problemas transitorios acoplados THM. En segundo lugar, el estudio investiga varias configuraciones relacionadas con el uso de la metodología PGD en el contexto de problemas acoplados y problemas transitorios.
Se presentan dos modelos de un problema de repositorio geológico profundo simplificado para mostrar las capacidades de la metodología propuesta. El primero está parametrizado por las propiedades físicas de la roca (módulo elástico, conductividad térmica, conductividad hidráulica). El segundo modelo aborda una parametrización geométrica que controla la distancia entre los contenedores cuando el repositorio se coloca en una red de contenedores. Esto sería útil para estudiar y diseñar el repositorio y determinar, por ejemplo, una distancia óptima evitando sobrecalentamientos.
Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Université libre de Bruxelles
2024-02-29T19:30:44ZMoaven, Arash(English) The Proper Generalized Decomposition (PGD) is a mathematical framework belonging to the Model Order Reduction (MOR) class of techniques. To the best of the author's knowledge, this methodology has not been applied to transient coupled Thermo-Hydro-Mechanical (THM) problems in porous media. THM models have been developed for various geo-environmental applications, such as enhanced oil recovery, geothermal energy extraction, and deep geological repositories. This thesis studies the application of the PGD technique to THM problems, drawing inspiration from the concept of deep geological repositories. The study demonstrates how the PGD methodology can be used to obtain real-time solutions to THM problems, using a simplified deep geological repository as an example.
The developed generalized solutions provided by PGD are perfectly suited to be used in multi-query situations, such as parameter identification and calibration procedures, optimization, or uncertainty quantification. The extremely fast response obtained after the training phase opens the doors to real-time inversions, control situations, or simply increasing the accuracy of the inverse identification procedures by allowing a much larger number of evaluations of the objective function when compared to traditional discretization techniques.
This work presents two main contributions. First, it provides a detailed description of the separated discrete operators that are required in the PGD methodology when material parameters, geometrical parameters, or a combination of both are considered. This is done in the context of transient coupled THM problems. Second, the study investigates several configurations related to the use of the PGD methodology in the context of coupled problems and transient problems.
Two models of a simplified deep geological repository problem are presented to show the capabilities of the proposed methodology. The first one is parametrized by the physical properties of the host rock (elastic modulus, thermal conductivity, hydraulic conductivity). This would be useful, for example, in the solution of an inverse problem to characterize the actual properties of the rock. The second model addresses a geometrical parametrization that controls the distance between the canisters when the repository is set to a grid canister. This is intended for the study and design the repository and to determine, for example, an optimal distance avoiding temperature runouts.
The study as a whole employs a combination of techniques (PGD with coupled THM in porous media) to produce a range of solutions and an efficient solver that functions in real-time.
(Español) En este trabajo se proponen métodos numéricos basados en la técnica de Proper Generalized Decomposition (PGD) para la solución de problemas Termo-Hidro-Mecánicos (THM). Esta clase de problemas se surge de una gran cantidad de aplicaciones en ingeniería. Algunos ejemplos son las aplicaciones geoambientales, como la recuperación mejorada de petróleo, la extracción de energía geotérmica y los repositorios geológicos profundos. En esta tesis se centra en la aplicación de PGD a problemas THM en particular para problemas de almacenaje de residuos radioactivos en repositorios geológicos profundos. Una característica de esta aplicación es que comúnmente es difícil conocer con precisión las propiedades físicas de las rocas en profundidad. Esto lleva a la necesidad de resolver problemas inversos para identificar estás propiedades y esto requiere de muchas y costosas soluciones de las ecuaciones involucradas.
En esta tesis se propone una metodología numérica que permite la evaluación de problemas THM en tiempo real, de manera que cualquier problema inverso se vuelve barato incluso cuando requiera de miles de evaluaciones. Las “soluciones generalizadas” producidas por PGD son adecuadas para ser utilizadas en situaciones de “múltiples consultas”, como la identificación y calibración de parámetros, la optimización o la cuantificación de incertidumbres. La respuesta extremadamente rápida obtenida después de la fase de entrenamiento abre las puertas a inversiones en tiempo real, situaciones de control o simplemente aumenta la precisión de los procedimientos de identificación inversa al permitir un número mucho mayor de evaluaciones de la función objetivo en comparación con las técnicas de discretización tradicionales.
Este trabajo presenta dos contribuciones principales. En primer lugar, proporciona una descripción detallada de los operadores discretos separados que son necesarios en la metodología PGD cuando se consideran parámetros materiales, parámetros geométricos o una combinación de ambos. Esto se hace en el contexto de problemas transitorios acoplados THM. En segundo lugar, el estudio investiga varias configuraciones relacionadas con el uso de la metodología PGD en el contexto de problemas acoplados y problemas transitorios.
Se presentan dos modelos de un problema de repositorio geológico profundo simplificado para mostrar las capacidades de la metodología propuesta. El primero está parametrizado por las propiedades físicas de la roca (módulo elástico, conductividad térmica, conductividad hidráulica). El segundo modelo aborda una parametrización geométrica que controla la distancia entre los contenedores cuando el repositorio se coloca en una red de contenedores. Esto sería útil para estudiar y diseñar el repositorio y determinar, por ejemplo, una distancia óptima evitando sobrecalentamientos.On the evaluation of mixing in heterogeneous porous media: from laboratory characterization to the design of engineered chaotic flows for practical applicationBertran Oller, Oriolhttp://hdl.handle.net/2117/4031502024-02-26T10:26:22Z2024-02-26T09:25:28ZOn the evaluation of mixing in heterogeneous porous media: from laboratory characterization to the design of engineered chaotic flows for practical application
Bertran Oller, Oriol
(English) Groundwater is now under high stress levels and its quality and quantity arise as one of the most interesting and necessary topics our community should address. This doctoral thesis is focused on the quality of the groundwater: from the study of chemical reactions in laboratory experiments, necessary for the biodegradation of harmful organic pollutants to occur, to the design of an engineered method to promote reactions in the field scale. Chemical reactions are induced by the mixing between two different waters, so understanding and predicting this phenomena become crucial to accurately forecast reactive transport and groundwater remediation.
Sharp interfaces and heterogeneity in porous media play a significant role in controlling mixing. This thesis aims to investigate the influence of a sharp interface on mixing through laboratory experiments. The experiments were conducted using laboratory columns filled with a bilayer distribution scheme of coarse-fine glass beads, and for comparison, two homogeneous distributions. To examine the distinct characteristics of transport and chemical reactions associated with a sharp interface, the evolution of mass concentration and spatial moments of a colored product across these bilayer systems was studied. This colored product is formed when two colorless reactants are mixed and serves as a direct indicator of mixing. Quantification of this product was achieved through image analysis. The results obtained from these experiments concluded that coarse-to-fine transitions tend to promote and enhance solute reactivity in heterogeneous systems compared to fine-to-coarse transitions, leading to increased reaction rates and mass production. Furthermore, an asymmetrical response in transport was observed through the analysis of higher-order spatial moments of the concentration distributions. Additionally, it was found that analytical solutions based on the advection-dispersion equation successfully matched the actual arrival times recorded by both images and flow outlet samples. However, these solutions failed to simulate the complexities associated with a two-layer reactive transport system that includes an interface.
Mixing is an essential phenomenon for chemical reactions to occur and for achieving successful outcomes in the context of in-situ groundwater remediation. However, natural attenuation alone often results in a slow mixing process. Some authors have addressed this issue by employing an Engineered Injection-Extraction (EIE) system. EIE has been proven as an effective method to promote the dilution of treatment solutions, facilitating the mixing between these solutions and the contaminated groundwater. This enhanced mixing facilitates chemical reactions, which, in turn, lead to the biodegradation of pollutants. However, existing studies on the subject have not considered the potential impact of connectivity and preferential flow-paths. Since preferential flow-paths can mainly carry the fluid, limiting the mixing and chemical reactions, neglecting the presence of these high-permeable channels can lead to an overestimation of EIE's capabilities. In this doctoral thesis it has been studied the capabilities of EIE system to dilute a treatment solution in both poorly-connected and highly-connected fields. The approach involves determining an optimal stirring protocol, tailored to each specific medium, which maximizes the mixing process. Metrics are proposed to measure both the extent of mixing and the containment of the treatment solution within the remediation volume. Additionally, particle trajectories are analyzed to assess if preferential flow paths are disrupted. The results obtained from these metrics show that the effectiveness of EIE in enhancing mixing remains consistent, irrespective of the presence of preferential flow paths. This study demonstrates that using EIE with rotating dipoles reduces the uncertainty in remediation outcomes caused by medium heterogeneity.; (Català) L'aigua subterrània ha passat a trobar-se sota una situació de sobreexplotació, essent la seva qualitat i quantitat un dels factors que se'ns plantegen com a interessants i necessaris per abordar. Aquesta tesi doctoral es focalitza en la qualitat de l'aigua subterrània: des de l'estudi de reaccions químiques a partir d'experiments de laboratori fins al disseny d'un mètode enginyeril capaç de promoure les reaccions a nivell d'escala de camp. Les reaccions químiques són produïdes per la mescla entre dues aigües, així que entendre i predir la mescla s'esdevé primordial per preveure el transport reactiu i la remediació de l'aigua subterrània.
Les interfícies abruptes i la heterogeneïtat al medi porós, controlen la mescla. A aquesta tesi s'han conduit experiments de laboratori per d'estudiar el paper que tenen aquestes interfícies abruptes, que separen dos granulometries amb diferents propietats de transport, sobre la mescla. Els experiments s'executen utilitzant columnes de laboratori reomplertes amb una capa de material fi i una altra de groller. Per comparació, també se'n reomplen dues homogèniament. Per analitzar les particularitats que una interfície abrupta té sobre el transport i les reaccions químiques, s'estudia com evolucionen les concentracions i els moments espacials d'un producte colorimètric a través tant d'aquests sistemes bicapa com de les columnes reblertes homogèniament. Aquest producte colorimètric es forma un cop dos reactants incolors es mesclen, podent ser considerat el seu anàlisi com un resultat explícit de la mescla. La quantificació d'aquest producte es fa a través d'anàlisi d'imatges. Dels resultats obtinguts dels experiments es conclou que la transició de groller-a-fi tendeix a promoure i millorar les reaccions químiques en comparació a les transicions de groller-a-fi. L'assimetria en el transport també queda demostrada mitjançant l'anàlisi dels moments espacials de la distribució de concentracions. Addicionalment, també es demostra que les solucions analítiques basades en l'equació d'advecció-dispersió, ajusten bé els temps d'arribada enregistrats tant per les imatges com per les mostres a la sortida de la columna, encara que fracassen en simular les singularitats dels sistemes bicapa amb interfície sobre el transport reactiu.
La mescla és un fenomen essencial per produir reaccions químiques i per assolir resultats exitosos en remediacions d'aigua subterrània in-situ. No obstant, l'atenuació natural comporta un procés de mescla lent. Alguns autors van resoldre aquesta problemàtica usant el sistema EIE (de l'anglès, Engineered Injection-Extraction). EIE ha demostrat ser una metodologia eficaç a l'hora de promoure la dilució d'una solució de tractament, facilitant la seva mescla amb l'aigua subterrània contaminada. Aquesta millora en la mescla permet les reaccions químiques i la biodegradació dels contaminants. Tot i això, els treballs previs que havien estudiat els beneficis del sistema EIE, no ho havien fet considerant la presència de connectivitat o fluxos preferencials. Com que els fluxos preferencials poden transportar principalment el fluid, la seva presencia és limitant per la reacció dintre de l'emplaçament contaminat i, per tant, obviar-los acaba precipitant una sobre-estimació de l'EIE. En aquesta tesi doctoral s'estudia la capacitat del sistema EIE a l'hora de diluir una solució de tractament tant en medis escassament connectats i medis altament connectats. Per cada tipus de medi s'analitza quina és la seqüencia IE que estimula més la mescla dins el sistema. Les mètriques que es proposen són per mesurar l'extensió de la mescla dintre de la zona afectada, així com per la caracterització de les partícules per tal d'estudiar si s'ha sigut capaç de trencar aquests camins preferencials. Els resultats obtinguts d'aquestes mètriques mostren que la tècnica EIE és consistent i i independent de la connectivitat del sistema, reduint llavors la incertesa associada a l'heterogeneïtat del medi.
2024-02-26T09:25:28ZBertran Oller, Oriol(English) Groundwater is now under high stress levels and its quality and quantity arise as one of the most interesting and necessary topics our community should address. This doctoral thesis is focused on the quality of the groundwater: from the study of chemical reactions in laboratory experiments, necessary for the biodegradation of harmful organic pollutants to occur, to the design of an engineered method to promote reactions in the field scale. Chemical reactions are induced by the mixing between two different waters, so understanding and predicting this phenomena become crucial to accurately forecast reactive transport and groundwater remediation.
Sharp interfaces and heterogeneity in porous media play a significant role in controlling mixing. This thesis aims to investigate the influence of a sharp interface on mixing through laboratory experiments. The experiments were conducted using laboratory columns filled with a bilayer distribution scheme of coarse-fine glass beads, and for comparison, two homogeneous distributions. To examine the distinct characteristics of transport and chemical reactions associated with a sharp interface, the evolution of mass concentration and spatial moments of a colored product across these bilayer systems was studied. This colored product is formed when two colorless reactants are mixed and serves as a direct indicator of mixing. Quantification of this product was achieved through image analysis. The results obtained from these experiments concluded that coarse-to-fine transitions tend to promote and enhance solute reactivity in heterogeneous systems compared to fine-to-coarse transitions, leading to increased reaction rates and mass production. Furthermore, an asymmetrical response in transport was observed through the analysis of higher-order spatial moments of the concentration distributions. Additionally, it was found that analytical solutions based on the advection-dispersion equation successfully matched the actual arrival times recorded by both images and flow outlet samples. However, these solutions failed to simulate the complexities associated with a two-layer reactive transport system that includes an interface.
Mixing is an essential phenomenon for chemical reactions to occur and for achieving successful outcomes in the context of in-situ groundwater remediation. However, natural attenuation alone often results in a slow mixing process. Some authors have addressed this issue by employing an Engineered Injection-Extraction (EIE) system. EIE has been proven as an effective method to promote the dilution of treatment solutions, facilitating the mixing between these solutions and the contaminated groundwater. This enhanced mixing facilitates chemical reactions, which, in turn, lead to the biodegradation of pollutants. However, existing studies on the subject have not considered the potential impact of connectivity and preferential flow-paths. Since preferential flow-paths can mainly carry the fluid, limiting the mixing and chemical reactions, neglecting the presence of these high-permeable channels can lead to an overestimation of EIE's capabilities. In this doctoral thesis it has been studied the capabilities of EIE system to dilute a treatment solution in both poorly-connected and highly-connected fields. The approach involves determining an optimal stirring protocol, tailored to each specific medium, which maximizes the mixing process. Metrics are proposed to measure both the extent of mixing and the containment of the treatment solution within the remediation volume. Additionally, particle trajectories are analyzed to assess if preferential flow paths are disrupted. The results obtained from these metrics show that the effectiveness of EIE in enhancing mixing remains consistent, irrespective of the presence of preferential flow paths. This study demonstrates that using EIE with rotating dipoles reduces the uncertainty in remediation outcomes caused by medium heterogeneity.
(Català) L'aigua subterrània ha passat a trobar-se sota una situació de sobreexplotació, essent la seva qualitat i quantitat un dels factors que se'ns plantegen com a interessants i necessaris per abordar. Aquesta tesi doctoral es focalitza en la qualitat de l'aigua subterrània: des de l'estudi de reaccions químiques a partir d'experiments de laboratori fins al disseny d'un mètode enginyeril capaç de promoure les reaccions a nivell d'escala de camp. Les reaccions químiques són produïdes per la mescla entre dues aigües, així que entendre i predir la mescla s'esdevé primordial per preveure el transport reactiu i la remediació de l'aigua subterrània.
Les interfícies abruptes i la heterogeneïtat al medi porós, controlen la mescla. A aquesta tesi s'han conduit experiments de laboratori per d'estudiar el paper que tenen aquestes interfícies abruptes, que separen dos granulometries amb diferents propietats de transport, sobre la mescla. Els experiments s'executen utilitzant columnes de laboratori reomplertes amb una capa de material fi i una altra de groller. Per comparació, també se'n reomplen dues homogèniament. Per analitzar les particularitats que una interfície abrupta té sobre el transport i les reaccions químiques, s'estudia com evolucionen les concentracions i els moments espacials d'un producte colorimètric a través tant d'aquests sistemes bicapa com de les columnes reblertes homogèniament. Aquest producte colorimètric es forma un cop dos reactants incolors es mesclen, podent ser considerat el seu anàlisi com un resultat explícit de la mescla. La quantificació d'aquest producte es fa a través d'anàlisi d'imatges. Dels resultats obtinguts dels experiments es conclou que la transició de groller-a-fi tendeix a promoure i millorar les reaccions químiques en comparació a les transicions de groller-a-fi. L'assimetria en el transport també queda demostrada mitjançant l'anàlisi dels moments espacials de la distribució de concentracions. Addicionalment, també es demostra que les solucions analítiques basades en l'equació d'advecció-dispersió, ajusten bé els temps d'arribada enregistrats tant per les imatges com per les mostres a la sortida de la columna, encara que fracassen en simular les singularitats dels sistemes bicapa amb interfície sobre el transport reactiu.
La mescla és un fenomen essencial per produir reaccions químiques i per assolir resultats exitosos en remediacions d'aigua subterrània in-situ. No obstant, l'atenuació natural comporta un procés de mescla lent. Alguns autors van resoldre aquesta problemàtica usant el sistema EIE (de l'anglès, Engineered Injection-Extraction). EIE ha demostrat ser una metodologia eficaç a l'hora de promoure la dilució d'una solució de tractament, facilitant la seva mescla amb l'aigua subterrània contaminada. Aquesta millora en la mescla permet les reaccions químiques i la biodegradació dels contaminants. Tot i això, els treballs previs que havien estudiat els beneficis del sistema EIE, no ho havien fet considerant la presència de connectivitat o fluxos preferencials. Com que els fluxos preferencials poden transportar principalment el fluid, la seva presencia és limitant per la reacció dintre de l'emplaçament contaminat i, per tant, obviar-los acaba precipitant una sobre-estimació de l'EIE. En aquesta tesi doctoral s'estudia la capacitat del sistema EIE a l'hora de diluir una solució de tractament tant en medis escassament connectats i medis altament connectats. Per cada tipus de medi s'analitza quina és la seqüencia IE que estimula més la mescla dins el sistema. Les mètriques que es proposen són per mesurar l'extensió de la mescla dintre de la zona afectada, així com per la caracterització de les partícules per tal d'estudiar si s'ha sigut capaç de trencar aquests camins preferencials. Els resultats obtinguts d'aquestes mètriques mostren que la tècnica EIE és consistent i i independent de la connectivitat del sistema, reduint llavors la incertesa associada a l'heterogeneïtat del medi.Experimental and numerical analysis of the unsaturated soil shrinkage and swelling behaviour under different compaction conditionsNajdi, Abdallahhttp://hdl.handle.net/2117/4021652024-02-19T09:14:06Z2024-02-19T08:57:02ZExperimental and numerical analysis of the unsaturated soil shrinkage and swelling behaviour under different compaction conditions
Najdi, Abdallah
(English) The thesis presents part of an ongoing nvestigation on the Thermo-Hydro-Mechanical (THM) behaviour and cracking of deformable unsaturated soils undergoing cycles of drying and wetting. An experimental approach was first adopted to understand the principal mechanisms of the THM behaviour. A main principal variable is the negative porewater pressure (suction). Suction is an essential component for the constitutive relations. Direct measurements at high suction range is only possible to this date using High Capacity Tensiometers (HCTs). As such, the novel Northumbria HCT (N-HCT), with an extended suction measuring range (3.5 MPa), was sought after. The N-HCT was employed, in conjunction with other established and proposed direct and indirect suction measurement techniques, to provide the full suction measurement range (saturation to dry conditions). Additionally, a unifying volumetric measurement technique is proposed, based on defining a mathematical model that describes a unique relationship between void ratio and water content, referred to as the Soil Shrinkage and Swelling Curves (SSCs). Having a well-defined SSC, along with the full suction range, allows obtaining complete Soil Water Retention Curves (SWRCs), in drying and wetting paths. SWRCs are a main characterising component of constitutive models for describing the porewater retaining capacity and flow. Obtaining the SWRCs and SSCs provides the relationship between the evolution of the three main variables of the unsaturated soil behaviour: porewater, suction, and void ratio. Additionally, the desaturation and saturation rates were computed. A novel approach is proposed to divide the soil drying into five stages, and the wetting to another four stages. Different yielding points are suggested to mark the transition between the proposed stages, with each holding a coupled hydromechanical significance. While some of the transitional points are conventional, the role of the inflexion point of the SWRC is yet to be established. A strong correlation between the latter and the shrinkage limit is determined and verified for various soils from the literature encompassing different soil types, fabrics, and textures. Finally, the implication on the mechanical constitutive relations and the geotechnical designs is studied.
The principal aim of this thesis was to construct a full numerical model that can replicate, to high accuracy, the THM behaviour of soils exposed to free atmospheric conditions. Having such a fully capable model would significantly reduce the uncertainties during the design process of any infrastructure and earthworks project using soils as engineered material (embankments, slopes, landfills). The constitutive equations and their corresponding parameters must be well-defined. The experimental campaign helped caliberate the mechanical component, the SWRCs, and the hydraulic, relative, and thermal conductivities for the soils being simulated.
The applied atmospheric conditions on the soil surface are translated into imposed numerical boundary conditions. This entails all relevant atmospheric factors: wind (to transfer coefficients), temperature (heat flux), relative humidity (vapour concentration), rainfall (infiltration rate), and solar radiation (heat flow rate). The developed model successfully captures the THM behaviour and the cracking intensity of the soil exposed to different atmospheric conditions. The simulations were carried out on seven different laboratory specimens in an environmental chamber with controlled atmospheric conditions and one larger-scale field experiment exposed to free atmosphere. Having a developed model capable of simulating soils prepared at a wide variety of different initial conditions and exposed to varying imposed atmospheric conditions can prove to be a valuable feature to predict cracking and shrinkage behaviour for advanced designs of infrastructures using soils as engineering materials.; (Español) Esta tesis presenta parte de una investigación en curso sobre el comportamiento termo-hidro-mecánico (THM) y el agrietamiento de suelos no saturados deformables sometidos a ciclos de secado y humectación. Primero se adoptó un enfoque experimental para comprender los principales mecanismos del comportamiento THM de los suelos no saturados. La presión de poros negativa (succión matricial) es una variable principal que caracteriza las diferentes leyes y parámetros constitutivos de los suelos no saturados. Las mediciones directas para rangos de succión altos solo son posibles actualmente utilizando tensiómetros de alta capacidad (HCT). Para ello se han desarrollado los nuevos tensiómetros Northumbria HCT (N-HCT), con un rango extendido (3.5 MPa). Los N-HCT se han empleado con otras técnicas de directas e indirectas ya establecidas o propuestas, para proporcionar el rango completo de la succión (saturación hasta las condiciones secas). Además, se ha propuesto una técnica de medición volumétrica unificadora, basada en la definición de un modelo matemático para las curvas de retracción e hinchamiento del suelo (SSC). Tener una SSC bien definida, junto con las mediciones de rango completo de succión permite obtener las curvas de retención (SWRC), para las trayectorias de secado y mojado. Las SWRC son principales componentes de los modelos constitutivos para describir la capacidad de retención de humedad y las características de flujo. La obtención de las SWRC y las SSC proporciona la relación entre la evolución de las tres variables principales: agua intersticial, succión e índice de poros. Por otra parte, se han calculado también las velocidades de desaturación y saturación. Finalmente, se propone un enfoque novedoso para dividir el secado del suelo en cinco etapas, y el mojado en otras cuatro etapas. Se sugieren diferentes puntos de transición con significado hidromecánico acoplado. Algunos de los puntos son bien conocidos, el papel del punto de inflexión de la SWRC aún no se ha establecido. Se ha verificado una buena correlación entre este último y el límite de retracción para varios suelos a partir de la literatura que abarca diferentes tipos de suelo, estructuras y texturas. Finalmente, se ha estudiado la implicación sobre las relaciones constitutivas mecánicas.
El objetivo principal ha sido la obtención de un modelo numérico que pueda replicar, con una alta precisión, el comportamiento THM de los suelos expuestos a condiciones atmosféricas externas. Tener un modelo tan capaz reduciría significativamente las incertidumbres durante el proceso de diseño de proyectos de infraestructura (terraplenes, revestimientos, taludes, vertederos). La campaña experimental implementada proporcionó el componente mecánico, las SWRC y las conductividades hidráulicas y térmicas de las ecuaciones constitutivas y sus parámetros correspondientes para los suelos a simular.
Las condiciones atmosféricas aplicadas en la superficie del suelo deben traducirse adecuadamente en condiciones de contorno impuestas, implementando todos los factores relevantes: viento (coeficientes de transferencia), temperatura (flujo de calor), humedad relativa (concentración de vapor), precipitaciones (velocidad de infiltración) y radiación solar (velocidad del flujo de calor). La formulación relevante se obtuvo comparando con las ecuaciones de balance de energía clásicas y con las de la meteorología. El modelo desarrollado reproduce con precisión el comportamiento THM y permite estimar la intensidad de agrietamiento del suelo expuesto a diferentes condiciones atmosféricas para probetas de laboratorio y un ensayo de campo a mayor escala expuesto a condiciones atmosféricas libres. Un modelo capaz de simular suelos preparados con una amplia variedad de condiciones iniciales diferentes, y expuestos a diferentes condiciones atmosféricas es una herramienta valiosa para predecir el comportamiento del agrietamiento y retracción en el proceso de diseños avanzados de infraestructuras.
2024-02-19T08:57:02ZNajdi, Abdallah(English) The thesis presents part of an ongoing nvestigation on the Thermo-Hydro-Mechanical (THM) behaviour and cracking of deformable unsaturated soils undergoing cycles of drying and wetting. An experimental approach was first adopted to understand the principal mechanisms of the THM behaviour. A main principal variable is the negative porewater pressure (suction). Suction is an essential component for the constitutive relations. Direct measurements at high suction range is only possible to this date using High Capacity Tensiometers (HCTs). As such, the novel Northumbria HCT (N-HCT), with an extended suction measuring range (3.5 MPa), was sought after. The N-HCT was employed, in conjunction with other established and proposed direct and indirect suction measurement techniques, to provide the full suction measurement range (saturation to dry conditions). Additionally, a unifying volumetric measurement technique is proposed, based on defining a mathematical model that describes a unique relationship between void ratio and water content, referred to as the Soil Shrinkage and Swelling Curves (SSCs). Having a well-defined SSC, along with the full suction range, allows obtaining complete Soil Water Retention Curves (SWRCs), in drying and wetting paths. SWRCs are a main characterising component of constitutive models for describing the porewater retaining capacity and flow. Obtaining the SWRCs and SSCs provides the relationship between the evolution of the three main variables of the unsaturated soil behaviour: porewater, suction, and void ratio. Additionally, the desaturation and saturation rates were computed. A novel approach is proposed to divide the soil drying into five stages, and the wetting to another four stages. Different yielding points are suggested to mark the transition between the proposed stages, with each holding a coupled hydromechanical significance. While some of the transitional points are conventional, the role of the inflexion point of the SWRC is yet to be established. A strong correlation between the latter and the shrinkage limit is determined and verified for various soils from the literature encompassing different soil types, fabrics, and textures. Finally, the implication on the mechanical constitutive relations and the geotechnical designs is studied.
The principal aim of this thesis was to construct a full numerical model that can replicate, to high accuracy, the THM behaviour of soils exposed to free atmospheric conditions. Having such a fully capable model would significantly reduce the uncertainties during the design process of any infrastructure and earthworks project using soils as engineered material (embankments, slopes, landfills). The constitutive equations and their corresponding parameters must be well-defined. The experimental campaign helped caliberate the mechanical component, the SWRCs, and the hydraulic, relative, and thermal conductivities for the soils being simulated.
The applied atmospheric conditions on the soil surface are translated into imposed numerical boundary conditions. This entails all relevant atmospheric factors: wind (to transfer coefficients), temperature (heat flux), relative humidity (vapour concentration), rainfall (infiltration rate), and solar radiation (heat flow rate). The developed model successfully captures the THM behaviour and the cracking intensity of the soil exposed to different atmospheric conditions. The simulations were carried out on seven different laboratory specimens in an environmental chamber with controlled atmospheric conditions and one larger-scale field experiment exposed to free atmosphere. Having a developed model capable of simulating soils prepared at a wide variety of different initial conditions and exposed to varying imposed atmospheric conditions can prove to be a valuable feature to predict cracking and shrinkage behaviour for advanced designs of infrastructures using soils as engineering materials.
(Español) Esta tesis presenta parte de una investigación en curso sobre el comportamiento termo-hidro-mecánico (THM) y el agrietamiento de suelos no saturados deformables sometidos a ciclos de secado y humectación. Primero se adoptó un enfoque experimental para comprender los principales mecanismos del comportamiento THM de los suelos no saturados. La presión de poros negativa (succión matricial) es una variable principal que caracteriza las diferentes leyes y parámetros constitutivos de los suelos no saturados. Las mediciones directas para rangos de succión altos solo son posibles actualmente utilizando tensiómetros de alta capacidad (HCT). Para ello se han desarrollado los nuevos tensiómetros Northumbria HCT (N-HCT), con un rango extendido (3.5 MPa). Los N-HCT se han empleado con otras técnicas de directas e indirectas ya establecidas o propuestas, para proporcionar el rango completo de la succión (saturación hasta las condiciones secas). Además, se ha propuesto una técnica de medición volumétrica unificadora, basada en la definición de un modelo matemático para las curvas de retracción e hinchamiento del suelo (SSC). Tener una SSC bien definida, junto con las mediciones de rango completo de succión permite obtener las curvas de retención (SWRC), para las trayectorias de secado y mojado. Las SWRC son principales componentes de los modelos constitutivos para describir la capacidad de retención de humedad y las características de flujo. La obtención de las SWRC y las SSC proporciona la relación entre la evolución de las tres variables principales: agua intersticial, succión e índice de poros. Por otra parte, se han calculado también las velocidades de desaturación y saturación. Finalmente, se propone un enfoque novedoso para dividir el secado del suelo en cinco etapas, y el mojado en otras cuatro etapas. Se sugieren diferentes puntos de transición con significado hidromecánico acoplado. Algunos de los puntos son bien conocidos, el papel del punto de inflexión de la SWRC aún no se ha establecido. Se ha verificado una buena correlación entre este último y el límite de retracción para varios suelos a partir de la literatura que abarca diferentes tipos de suelo, estructuras y texturas. Finalmente, se ha estudiado la implicación sobre las relaciones constitutivas mecánicas.
El objetivo principal ha sido la obtención de un modelo numérico que pueda replicar, con una alta precisión, el comportamiento THM de los suelos expuestos a condiciones atmosféricas externas. Tener un modelo tan capaz reduciría significativamente las incertidumbres durante el proceso de diseño de proyectos de infraestructura (terraplenes, revestimientos, taludes, vertederos). La campaña experimental implementada proporcionó el componente mecánico, las SWRC y las conductividades hidráulicas y térmicas de las ecuaciones constitutivas y sus parámetros correspondientes para los suelos a simular.
Las condiciones atmosféricas aplicadas en la superficie del suelo deben traducirse adecuadamente en condiciones de contorno impuestas, implementando todos los factores relevantes: viento (coeficientes de transferencia), temperatura (flujo de calor), humedad relativa (concentración de vapor), precipitaciones (velocidad de infiltración) y radiación solar (velocidad del flujo de calor). La formulación relevante se obtuvo comparando con las ecuaciones de balance de energía clásicas y con las de la meteorología. El modelo desarrollado reproduce con precisión el comportamiento THM y permite estimar la intensidad de agrietamiento del suelo expuesto a diferentes condiciones atmosféricas para probetas de laboratorio y un ensayo de campo a mayor escala expuesto a condiciones atmosféricas libres. Un modelo capaz de simular suelos preparados con una amplia variedad de condiciones iniciales diferentes, y expuestos a diferentes condiciones atmosféricas es una herramienta valiosa para predecir el comportamiento del agrietamiento y retracción en el proceso de diseños avanzados de infraestructuras.Study of hybrid FRP-FRCM superficial structural elementsEskenati, Amir Rezahttp://hdl.handle.net/2117/4021532024-02-19T09:14:13Z2024-02-19T08:55:08ZStudy of hybrid FRP-FRCM superficial structural elements
Eskenati, Amir Reza
(English) The
most common composite materials for strengthening building structures are divided into two
dif ferent types based on the matrix’s composition, organics (polymers) or inorganics (cement, lime). The
hybrid structures presented here in for the first time are made of two components; fabric reinforced
cementitious matrix (FRCM) composite and pultruded fib er reinforced polymer (FRP) profiles.
The main idea of the experimental research was to characterize the individual materials and the structural
behavior of FRP profiles FRCM hybrid superficial elements. The experimental campaigns and numerical
studi es consist of three parts; materials individual characterization, connection between materials (FRP
FRP, FRP Mesh and Mesh Mortar) and characterization of the full hybrid superficial elements using the
best combination from the previous tests.
In terms of
FRP FRP connection tests, the mechanical behavior of adhesively and bolted joints for
pultruded Glass FRP (GFRP) profiles has been experimentally addressed and numerically modeled. A total
of nine specimens with different configurations (bolted joints, adh esive joints, web joints, web and flange
joints, and two different angles between profiles) were fabricated and tested, extending the available
published information. The novelty of the research is in the direct comparison of joint technologies (bolted
vs. adhesive), joint configuration (web vs. flange + web) and angles between profiles in a comprehensive
way. Plates for flange joints were fabricated with carbon fiber FRP. Experimental results indicate that
adding the bolted flange connection allowed for a slight increase of the load bearing capacity (up to 15%)
but a significant increase in the stiffness (between 2 and 7 times). Adhesively connections only reached
25% of the expected shear strength according to the adhesive producer if comparing the numerically
calculated shear strength at the failure time with the shear strength capacity of the adhesive.
In FR
P Mesh connection tests part, four specimens with different materials (resin connection, bolted
connection) were made and tested. Moreover, the effect of high temperature was evaluated. To sum up,
the best connector is resin connection and high temperature has low effect on the resistance of the
specimen with resin connector.
Regarding to the Mesh
Mortar connection tests, four specimens were made with FRCM (2 types of mortar)
using glass fiber mesh and tested under tensile configuration in order to investig ate the behavior of the
mesh and mortar. Glass fiber mesh led to increase ultimate load and strain. Two types of mortar were
used; an autolevelling one and a repair one. Axton mortar had better behavior under tensile test in
comparison with Sika.
The main idea of full hybrid panels was to extend this approach by replacing the concrete with a fabric
reinforced cementitious matrix (FRCM) composite, resulting in a combination of composite materials. The
main aim was to characterize the structural behavior of fiber reinforced polymer (FRP) profiles and FRCM
hybrid superficial elements. Two different prototypes of the hybrid superficial structural typology were
tested to cover bidimensional ( HP1) and three dimensional (HP2) application cases of the proposed
technology. A finite element model was implemented, calibrated, and validated by comparing numerical
data with experimental results of the two prototypes. The output was a validated model that correctly
captured the characteristic response of the proposed technology, which consisted of changing the
structural response from a stiff plat e configuration to a membrane type due to cracking of the FRCM
composite part of the full solution. The suggested numerical model adequately reflected the experimental
response and proved valuable for understanding and explaining the resistive processes es tablished along
this complicated FRP FRCM hybrid structure.; (Español) Los materiales compuestos para el refuerzo en construcción se dividen según la composición de la matriz en orgánicos (polímeros) e inorgánicos (cemento, cal). El uso de compuestos con matriz orgánica para producir estructuras híbridas junto con el hormigón se ha incrementado. Las estructuras híbridas que se presentan aquí por primera vez están compuestas a su vez por dos materiales compuestos: una matriz cementítica reforzada con tejidos (Fabric Reinforced Cementitious Matrix – FRCM) y perfiles pultrusionados de polímero reforzado con fibras (Fibre Reinforced Polymer – FRP), y se aspira a aprovechar los beneficios de ambos.
El principal objetivo de la investigación experimental era caracterizar los materiales individualmente, su interacción y el comportamiento estructural de los elementos superficiales híbridos de perfiles de FRP y FRCM. Estos tres aspectos se cubren tanto de forma experimental como mediante estudios de simulación numérica. En particular, respeto a los ensayos de la conexión FRP-FRP, la novedad de la investigación en este punto está en la comparación directa de diferentes tecnologías de unión (atornillada vs. adhesiva), configuraciones de unión (alma vs. alma + alas) y ángulos entre perfiles de un modo exhaustivo. Los resultados experimentales indican que añadir la unión atornillada en el ala supone un gran aumento de la rigidez (de 2 a 7 veces). El modelo numérico 3D implementado muestra un elevado grado de similitud, especialmente en lo relativo a la rigidez de la unión, con los resultados experimentales. Sin embargo, el tipo de fallo local observado experimentalmente no es automáticamente representado por el modelo numérico.
En el apartado sobre la conexión FRP-malla, cuatro especímenes con diferentes materiales (unión adhesiva con resina y unión atornillada) se fabricaron y ensayaron. Además, el efecto de las altas temperaturas también fue estudiado. En resumen, la mejor conexión resultó ser la adhesiva mediante resina y las elevadas temperaturas probaron no tener un efecto significativo.
En relación a los ensayos de conexión malla-mortero, se fabricaron especímenes de FRCM de fibra de vidrio y de carbono (2 tipos de mortero) y se ensayaron bajo una configuración de tracción. La malla de fibra de vidrio permitió incrementar la carga y deformación respecto la alternativa de carbono. De los dos tipos de mortero usados (autonivelante y de reparación), el autonivelante demostró un mejor comportamiento a tracción como resultado de su mejor proceso de producción. En todos los casos de FRCM se detectó un efecto significativo de la exposición a elevadas temperaturas, resultado también novedoso de la investigación.
Caracterizar el comportamiento estructural de los paneles híbridos fue el principal objetivo experimental. Dos prototipos de este sistema fueron fabricados y ensayados para cubrir los casos de aplicación bidimensional y tridimensional. Después de la fisuración del mortero, los resultados experimentales mostraron una respuesta dúctil y una elevada capacidad mecánica. El modelo numérico capturaba la respuesta característica de la tecnología propuesta: cambio de comportamiento de un tipo placa rígida a una configuración de tipo membrana debido a la fisuración del compuesto FRCM en la solución completa. Esta herramienta demostró ser valiosa para el conocimiento y la explicación de los mecanismos resistentes desarrollados por la compleja estructura híbrida de FRP-FRCM. En particular, los modelos capturan la rigidez del sistema con un error menor al 10%. En el caso del prototipo 3D (HP2) el modelo permitiría reproducir el ensayo más allá de las evidencias experimentales limitadas por la capacidad de aplicar desplazamientos durante el ensayo.
2024-02-19T08:55:08ZEskenati, Amir Reza(English) The
most common composite materials for strengthening building structures are divided into two
dif ferent types based on the matrix’s composition, organics (polymers) or inorganics (cement, lime). The
hybrid structures presented here in for the first time are made of two components; fabric reinforced
cementitious matrix (FRCM) composite and pultruded fib er reinforced polymer (FRP) profiles.
The main idea of the experimental research was to characterize the individual materials and the structural
behavior of FRP profiles FRCM hybrid superficial elements. The experimental campaigns and numerical
studi es consist of three parts; materials individual characterization, connection between materials (FRP
FRP, FRP Mesh and Mesh Mortar) and characterization of the full hybrid superficial elements using the
best combination from the previous tests.
In terms of
FRP FRP connection tests, the mechanical behavior of adhesively and bolted joints for
pultruded Glass FRP (GFRP) profiles has been experimentally addressed and numerically modeled. A total
of nine specimens with different configurations (bolted joints, adh esive joints, web joints, web and flange
joints, and two different angles between profiles) were fabricated and tested, extending the available
published information. The novelty of the research is in the direct comparison of joint technologies (bolted
vs. adhesive), joint configuration (web vs. flange + web) and angles between profiles in a comprehensive
way. Plates for flange joints were fabricated with carbon fiber FRP. Experimental results indicate that
adding the bolted flange connection allowed for a slight increase of the load bearing capacity (up to 15%)
but a significant increase in the stiffness (between 2 and 7 times). Adhesively connections only reached
25% of the expected shear strength according to the adhesive producer if comparing the numerically
calculated shear strength at the failure time with the shear strength capacity of the adhesive.
In FR
P Mesh connection tests part, four specimens with different materials (resin connection, bolted
connection) were made and tested. Moreover, the effect of high temperature was evaluated. To sum up,
the best connector is resin connection and high temperature has low effect on the resistance of the
specimen with resin connector.
Regarding to the Mesh
Mortar connection tests, four specimens were made with FRCM (2 types of mortar)
using glass fiber mesh and tested under tensile configuration in order to investig ate the behavior of the
mesh and mortar. Glass fiber mesh led to increase ultimate load and strain. Two types of mortar were
used; an autolevelling one and a repair one. Axton mortar had better behavior under tensile test in
comparison with Sika.
The main idea of full hybrid panels was to extend this approach by replacing the concrete with a fabric
reinforced cementitious matrix (FRCM) composite, resulting in a combination of composite materials. The
main aim was to characterize the structural behavior of fiber reinforced polymer (FRP) profiles and FRCM
hybrid superficial elements. Two different prototypes of the hybrid superficial structural typology were
tested to cover bidimensional ( HP1) and three dimensional (HP2) application cases of the proposed
technology. A finite element model was implemented, calibrated, and validated by comparing numerical
data with experimental results of the two prototypes. The output was a validated model that correctly
captured the characteristic response of the proposed technology, which consisted of changing the
structural response from a stiff plat e configuration to a membrane type due to cracking of the FRCM
composite part of the full solution. The suggested numerical model adequately reflected the experimental
response and proved valuable for understanding and explaining the resistive processes es tablished along
this complicated FRP FRCM hybrid structure.
(Español) Los materiales compuestos para el refuerzo en construcción se dividen según la composición de la matriz en orgánicos (polímeros) e inorgánicos (cemento, cal). El uso de compuestos con matriz orgánica para producir estructuras híbridas junto con el hormigón se ha incrementado. Las estructuras híbridas que se presentan aquí por primera vez están compuestas a su vez por dos materiales compuestos: una matriz cementítica reforzada con tejidos (Fabric Reinforced Cementitious Matrix – FRCM) y perfiles pultrusionados de polímero reforzado con fibras (Fibre Reinforced Polymer – FRP), y se aspira a aprovechar los beneficios de ambos.
El principal objetivo de la investigación experimental era caracterizar los materiales individualmente, su interacción y el comportamiento estructural de los elementos superficiales híbridos de perfiles de FRP y FRCM. Estos tres aspectos se cubren tanto de forma experimental como mediante estudios de simulación numérica. En particular, respeto a los ensayos de la conexión FRP-FRP, la novedad de la investigación en este punto está en la comparación directa de diferentes tecnologías de unión (atornillada vs. adhesiva), configuraciones de unión (alma vs. alma + alas) y ángulos entre perfiles de un modo exhaustivo. Los resultados experimentales indican que añadir la unión atornillada en el ala supone un gran aumento de la rigidez (de 2 a 7 veces). El modelo numérico 3D implementado muestra un elevado grado de similitud, especialmente en lo relativo a la rigidez de la unión, con los resultados experimentales. Sin embargo, el tipo de fallo local observado experimentalmente no es automáticamente representado por el modelo numérico.
En el apartado sobre la conexión FRP-malla, cuatro especímenes con diferentes materiales (unión adhesiva con resina y unión atornillada) se fabricaron y ensayaron. Además, el efecto de las altas temperaturas también fue estudiado. En resumen, la mejor conexión resultó ser la adhesiva mediante resina y las elevadas temperaturas probaron no tener un efecto significativo.
En relación a los ensayos de conexión malla-mortero, se fabricaron especímenes de FRCM de fibra de vidrio y de carbono (2 tipos de mortero) y se ensayaron bajo una configuración de tracción. La malla de fibra de vidrio permitió incrementar la carga y deformación respecto la alternativa de carbono. De los dos tipos de mortero usados (autonivelante y de reparación), el autonivelante demostró un mejor comportamiento a tracción como resultado de su mejor proceso de producción. En todos los casos de FRCM se detectó un efecto significativo de la exposición a elevadas temperaturas, resultado también novedoso de la investigación.
Caracterizar el comportamiento estructural de los paneles híbridos fue el principal objetivo experimental. Dos prototipos de este sistema fueron fabricados y ensayados para cubrir los casos de aplicación bidimensional y tridimensional. Después de la fisuración del mortero, los resultados experimentales mostraron una respuesta dúctil y una elevada capacidad mecánica. El modelo numérico capturaba la respuesta característica de la tecnología propuesta: cambio de comportamiento de un tipo placa rígida a una configuración de tipo membrana debido a la fisuración del compuesto FRCM en la solución completa. Esta herramienta demostró ser valiosa para el conocimiento y la explicación de los mecanismos resistentes desarrollados por la compleja estructura híbrida de FRP-FRCM. En particular, los modelos capturan la rigidez del sistema con un error menor al 10%. En el caso del prototipo 3D (HP2) el modelo permitiría reproducir el ensayo más allá de las evidencias experimentales limitadas por la capacidad de aplicar desplazamientos durante el ensayo.