Structural Analysis

Description

The doctoral programme in Structural Analysis was launched in 1988 when the Department of Strength of Materials and Structural Engineering was established within the framework of the University Reform Law (LRU) and the Statutes of the Universitat Politècnica de Catalunya. The programme was created to produce doctoral graduates in the field of continuous media mechanics and theory of structures. This is a unique area of activity at the Universitat Politècnica de Catalunya.

The design of the programme reflects two strategic orientations. First, it has a strong international dimension to encourage the participation of many students. Professors from Latin America, European countries, Asia and Africa are involved in teaching. Second, the conceptual design of the programme and the scientific content it focuses on closely reflect the challenges and innovation-related problems that Spanish and European industry face as they seek to improve their competitiveness in a global context. One aspect of the programme’s international focus is the regular collaboration of internationally renowned professors in its delivery:

Dr S. Idelsohn (ICREA), Research Professor at CIMNE, Spain
Dr C. Felippa, University of Colorado at Boulder, USA
Dr R. Löhner, University of Washington, USA
Dr J. Rojek, Institute of Fundamental Technological Research, Academy of Sciences, Poland
Dr F. Armero, University of Berkeley, USA
Dr S. Botello, University of Guanajuato, Mexico
Dr J. Hurtado, National University of Colombia
Dr M. Cerrolaza, Central University of Venezuela

The programme also has close links with other universities and with companies in RDI. Professors and students work with a large number of companies on RDI projects within the framework of joint projects funded by national and EU research bodies. In the last five years, professors and students on the programme have participated in numerous research projects selected through competitive calls under national and EU programmes.

Rationale for the programme

In recent decades, major technological advances have facilitated deeper and more effective approaches and methods in structural analysis. This has been achieved in part thanks to more powerful and precise calculation tools but also because specialists in the field are being called on to solve increasingly complex problems facing society.

In this context, the doctoral programme in Structural Analysis meets two needs. First, it introduces vertical content related to analysis and calculation of structures. This means studying and analysing the full array of concepts, methods and numerical tools needed to calculate different types of structures: beams, plates, sheets, etc. Students are also introduced to constitutive equations that define the behaviour of materials and therefore their structural response.

Second, the programme covers horizontal content related to the mechanics of continuous media and the use of numerical techniques to solve problems. Study focuses on the numerical solution (linear and nonlinear) of equations related to heat transmission, fracture mechanics and some complex industrial processes (filling of moulds, sheet metal stamping, laminating, forging, etc.) and Navier-Stokes equations, among other topics. This dual approach makes the doctoral programme in Structural Analysis, which covers both the mechanics of continuous media and structure theory, unique at the Universitat Politècnica de Catalunya.

Programme objectives

The objective of the doctoral programme in Structural Analysis is to develop high-quality researchers in the field of structural analysis, conceived in its broadest sense within the mechanics of continuous media, and in the application of numerical techniques (mainly finite elements) in this area. The programme focuses on two basic aspects of structural analysis:
• Methodology
• Applications

Methodology

In this dimension, the objectives of the programme are as follows:
• To provide students with a deeper knowledge of the most commonly used structural materials and their numerical treatment: two and three-dimensional continuous media, beams, plates and sheets
• To develop and extend students’ knowledge and understanding of constitutive equations for materials that can be used to analyse their behaviour
• To introduce students to the numerical treatment of differential and integral equations that govern the structural behaviour of materials
• To use various numerical solution methods to analyse equations resulting from discretisation of the continuum, including coupling and interaction problems.

Applications

As soon as students have acquired the basic knowledge indicated above, they must choose a specialisation based on the objectives of their doctoral thesis. In this context, the doctoral programme in Structural Analysis covers the following fields:

- Structural engineering, including seismic analysis, structural pathologies, numerical analysis of composite and functional materials, etc.

- Solving multiphysical problems: thermomechanical analysis, fluid-structure interaction, etc.

- Numerical simulation of industrial processes: additive manufacturing, rolling, welding, forging, solidification, deep drawing, etc.

External collaborations

Practically all top-tier universities in the Americas, Europe and Asia with doctoral-level civil engineering programmes (environmental, mechanical or materials) offer doctoral degrees related to structural analysis. Professors in the UPC’s Department of Civil and Environmental Engineering maintain close relations in research-related areas with many professors at these universities, resulting in joint papers and coordinated research projects. These contacts also facilitate exchanges and periods of mobility for professors and students and participation in the examination committees of various national programmes.

Mobility

Doctoral students will have opportunities to undertake periods of mobility at institutions abroad to carry out research activities and/or participate in conferences that are directly related to their thesis or cover other topics of interest for their training and development.

Mobility is facilitated by research projects carried out through the Department, in collaboration with related research centres (e.g. the International Centre for Numerical Methods in Engineering), and within the framework of European consortia and other international projects.

Quality award

The doctoral programme in Structural Analysis has been recognised with a quality award given by the Spanish Ministry of Education and Science following assessment by the National Agency for Quality Assessment and Accreditation (quality award code MCD2005-00341; awarded/renewed for 2005, 2006, 2007 and 2008).El Programa de Doctorado de Análisis Estructural nace en 1988 a partir de la consolidación del Departamento de Resistencia de Materiales y Estructuras en la Ingeniería en el marco de la Ley de reforma universitaria (LRU) y de los Estatutos de la Universidad Politécnica de Cataluña. El programa se creó para formar doctores en el ámbito de la mecánica de los medios continuos y la teoría de estructuras. Este ámbito de actuación es único en la Universidad Politécnica de Cataluña.

El programa se plantea teniendo en cuenta dos grandes referencias estratégicas. Por un lado, una fuerte dimensión internacional, para potenciar que lo cursen muchos estudiantes y que lo impartan algunos profesores extranjeros de Latinoamérica, Europa, Asia y África. Por otro lado, con proximidad, conceptual y en cuanto a los contenidos científicos que se imparten, a los desafíos y problemas de innovación que tiene la industria española y europea para mejorar su competencia y competitividad en el mundo. Una buena muestra de lo anterior es que colaboran de forma regular en el desarrollo del programa relevantes profesores de prestigio internacional:

Dr. S. Idelsohn (ICREA), Research Professor at CIMNE España
Dr. C. Felippa, University of Colorado at Boulder, EUA
Dr. R. Löhner, University of Washington, EUA
Dr. J. Rojek, Institute of Fundamental Technological Research, Academy of Sciences, Polonia
Dr. F. Armero University of Berkeley, EUA
Dr. S. Botello, Universidad de Guanajuato, México
Dr. J. Hurtado, Universidad Nacional de Colombia, Colombia
Dr. M. Cerrolaza, Universidad Central de Venezuela, Venezuela

También existe una gran interrelación del programa con otras universidades y empresas en el ámbito de I+D+i. Los profesores y estudiantes colaboran con gran cantidad de empresas en proyectos de I+D+i dentro del marco de proyectos conjuntos financiados por los organismos responsables de la investigación, nacionales o de la Unión Europea. En los últimos cinco años, los profesores y estudiantes del programa han participado en numerosos proyectos de investigación obtenidos en convocatorias competitivas en el marco de los programas nacionales o de la Unión Europea.

Justificación de la necesidad del programa

En las últimas décadas se han producido grandes adelantos tecnológicos que han contribuido a ampliar y mejorar la profundidad y prestaciones de los planteamientos y de los métodos de análisis estructural no solo mediante unas herramientas de cálculo más potentes y precisas, sino también en relación con la solución de los problemas cada vez más complejos que la sociedad necesita y plantea.

En este contexto, el Programa de Doctorado de Análisis Estructural que se formula se justifica a partir de una doble necesidad. Por un lado, se introducen los contenidos verticales relacionados con el análisis y el cálculo de estructuras. De esta forma, se estudia y analiza todo el conjunto de conceptos, metodologías y herramientas numéricas necesarias para calcular las diferentes tipologías estructurales: vigas, placas, láminas, etc. Por otro lado, se introducen las diferentes ecuaciones constitutivas que definen el comportamiento de los materiales, y por tanto su respuesta estructural.

En segundo lugar, se presenta una serie de contenidos horizontales relacionados con la mecánica de los medios continuos y con la resolución de los problemas mediante técnicas numéricas. De esta forma, se estudia la resolución numérica (lineal y no lineal) de las ecuaciones de transmisión de calor, de la mecánica de la fractura, de algunos complejos procesos industriales (relleno de moldes, estampaciones de chapa, laminado, forjado, etc.) y de las ecuaciones de Navier-Stokes, entre otras. Este planteamiento dual hace que el Programa de Doctorado de Análisis Estructural sea único en la Universidad Politécnica de Cataluña y venga a cubrir el campo propio del área de conocimiento de la mecánica de medios continuos y teoría de estructuras.

Objetivos del programa

El objetivo del Programa de Doctorado Análisis Estructural es formar investigadores de calidad en el campo del análisis estructural, entendiéndolo en el sentido más amplio dentro de la mecánica de los medios continuos y en su tratamiento mediante técnicas numéricas, fundamentalmente de elementos finitos. El programa se centra en dos vertientes básicas:
• vertiente metodológica
• aplicaciones

Vertiente metodológica

En este caso, los objetivos del programa son:
• Profundizar en el conocimiento y tratamiento numérico de las tipologías estructurales más utilizadas: medio continuo bidimensional y tridimensional, vigas, láminas y placas.
• Progresar en el conocimiento de las ecuaciones constitutivas de los materiales a fin de poder analizar su comportamiento.
• Incorporar el planteamiento numérico de las ecuaciones diferenciales e integrales que rigen el comportamiento estructural de los materiales.
• Analizar con diferentes técnicas de resolución numérica las ecuaciones resultantes de la discretización del continuo, incluyendo los problemas de acoplamiento y la interacción.

Aplicaciones

Tan pronto los estudiantes hayan adquirido los conocimientos básicos mencionados en el punto anterior, el programa establece que los estudiantes tienen que optar por alguna especialización de acuerdo con los objetivos de su tesis doctoral. En este contexto, el Programa de Análisis Estructural tiene en cuenta los campos siguientes:

- Ingeniería estructural, incluyendo el análisis sísmico, la patologías de estructuras, el análisis numérico de materiales compuestos y funcionales, etc.

- Solución de problemas multifísicos: análisis termomecánico, interacción fluido-estructura, etc.

- Simulación numérica de procesos industriales: manufactura aditiva, laminado, soldadura, forjado, solidificación, embutición, etc.

Referentes externos

Prácticamente todas las universidades de prestigio de América, Europa y Asia con estudios de doctorado en el ámbito de la ingeniería civil en sus distintas versiones y modalidades (ambiental, mecánica o de materiales) ofrecen doctorados relacionados con el análisis estructural. Los profesores del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la UPC mantienen estrechas relaciones en temas de investigación con muchos profesores de estas universidades que se traducen en artículos conjuntos, así como en proyectos de investigación coordinados. Fruto de estos contactos son también intercambios y estancias de profesores y estudiantes y la participación en tribunales de tesis doctorales en los distintos programas nacionales.

Movilidad

Se prevén estancias en centros extranjeros para realizar alguna actividad de investigación y/o participar en congresos, directamente relacionados con la tesis o con cualquier otro tema de interés para la formación de los doctorandos.

Los proyectos de investigación realizados a través del Departamento o en colaboración con centros de investigación relacionado con este (por ej., el Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería), en consorcios europeos y en otros proyectos internacionales facilitan esta movilidad.

Mención de calidad

El Programa de Doctorado de Análisis Estructural ha sido destacado con la Mención de Calidad del Ministerio de Educación y Ciencia, previa evaluación de la Agencia Nacional de Evaluación de la Calidad y Acreditación con el código de Mención de Calidad: MCD2005-00341. Mención concedida y renovada para los años 2005, 2006, 2007 y 2008.
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