Transient acoustic response in car cabins with localization of reflections

Due to its small size and the restrictions on source and listener positions, the design of sound reproduction systems for car cabins is particularly cumbersome. In the present project the measurement of the impulse response between a single loudspeaker and a listener position, with special emphasis on the directional characteristics, will be examined. The propagation paths inside a car are very short, meaning that it is very difficult for the existing commercial measurement systems to resolve the different reflections arriving to the listener. This paper propose a first approach of an algorithm based on time difference of arrival along a measurement technique aiming at finding the reflections and their direction of arrival to the listener. To this end a circular microphone array at a known position is employed, along with Maximum-Length Sequences (MLS) measurement technique. The results are processed so as to extract the directional properties, demonstrate the physical limitations that can influence or prevent this detection in practice. Measurements were carried out in a free-field environment (anechoic chamber) making use of different panels closer around the microphone array. RESUMEN. El diseño de sistemas de reproducción de audio para cabinas de coche es especialmente complicado debido al reducido tamaño del espacio y las restricciones de los altavoces y posiciones de escucha de los ocupantes. En el presente proyecto, se examinan mediciones de la respuesta al impulso entre un altavoz y una posición de escucha con especial énfasis en las características direccionales. Los caminos de propagación de las ondas sonoras dentro de un coche son muy cortos, lo que hace difícil para los instrumentos de medida existentes en el mercado determinar las direcciones de llegada de las diferentes reflexiones que llegan a una posición de escucha. Este trabajo propone una primera aproximación de un algoritmo, basado en las diferencias temporales de llegada de una onda a diferentes puntos de medida, y una particular técnica de medida de la respuesta al impulso para obtener las direcciones de llegada de reflexiones a una posición de escucha. Para ello, se emplea una matriz circular de micrófonos en una posición conocida junto con la técnica de medida MLS (Maximum Length Sequence). Los resultados obtenidos son procesados para extraer la dirección de llegada de las reflexiones acústicas y encontrar las limitaciones que influyan en la detección de dichas reflexiones. Las mediciones se llevan a cabo en un entorno de campo libre y utilizando diferentes superficies reflectantes alrededor de la matriz de micrófonos.

Contributions to Bayesian network learning with applications to neuroscience

Neuronal morphology is a key feature in the study of brain circuits, as it is highly related to information processing and functional identification. Neuronal morphology affects the process of integration of inputs from other neurons and determines the neurons which receive the output of the neurons. Different parts of the neurons can operate semi-independently according to the spatial location of the synaptic connections. As a result, there is considerable interest in the analysis of the microanatomy of nervous cells since it constitutes an excellent tool for better understanding cortical function. However, the morphologies, molecular features and electrophysiological properties of neuronal cells are extremely variable. Except for some special cases, this variability makes it hard to find a set of features that unambiguously define a neuronal type. In addition, there are distinct types of neurons in particular regions of the brain. This morphological variability makes the analysis and modeling of neuronal morphology a challenge. Uncertainty is a key feature in many complex real-world problems. Probability theory provides a framework for modeling and reasoning with uncertainty. Probabilistic graphical models combine statistical theory and graph theory to provide a tool for managing domains with uncertainty. In particular, we focus on Bayesian networks, the most commonly used probabilistic graphical model. In this dissertation, we design new methods for learning Bayesian networks and apply them to the problem of modeling and analyzing morphological data from neurons. The morphology of a neuron can be quantified using a number of measurements, e.g., the length of the dendrites and the axon, the number of bifurcations, the direction of the dendrites and the axon, etc. These measurements can be modeled as discrete or continuous data. The continuous data can be linear (e.g., the length or the width of a dendrite) or directional (e.g., the direction of the axon). These data may follow complex probability distributions and may not fit any known parametric distribution. Modeling this kind of problems using hybrid Bayesian networks with discrete, linear and directional variables poses a number of challenges regarding learning from data, inference, etc. In this dissertation, we propose a method for modeling and simulating basal dendritic trees from pyramidal neurons using Bayesian networks to capture the interactions between the variables in the problem domain. A complete set of variables is measured from the dendrites, and a learning algorithm is applied to find the structure and estimate the parameters of the probability distributions included in the Bayesian networks. Then, a simulation algorithm is used to build the virtual dendrites by sampling values from the Bayesian networks, and a thorough evaluation is performed to show the model’s ability to generate realistic dendrites. In this first approach, the variables are discretized so that discrete Bayesian networks can be learned and simulated. Then, we address the problem of learning hybrid Bayesian networks with different kinds of variables. Mixtures of polynomials have been proposed as a way of representing probability densities in hybrid Bayesian networks. We present a method for learning mixtures of polynomials approximations of one-dimensional, multidimensional and conditional probability densities from data. The method is based on basis spline interpolation, where a density is approximated as a linear combination of basis splines. The proposed algorithms are evaluated using artificial datasets. We also use the proposed methods as a non-parametric density estimation technique in Bayesian network classifiers. Next, we address the problem of including directional data in Bayesian networks. These data have some special properties that rule out the use of classical statistics. Therefore, different distributions and statistics, such as the univariate von Mises and the multivariate von Mises–Fisher distributions, should be used to deal with this kind of information. In particular, we extend the naive Bayes classifier to the case where the conditional probability distributions of the predictive variables given the class follow either of these distributions. We consider the simple scenario, where only directional predictive variables are used, and the hybrid case, where discrete, Gaussian and directional distributions are mixed. The classifier decision functions and their decision surfaces are studied at length. Artificial examples are used to illustrate the behavior of the classifiers. The proposed classifiers are empirically evaluated over real datasets. We also study the problem of interneuron classification. An extensive group of experts is asked to classify a set of neurons according to their most prominent anatomical features. A web application is developed to retrieve the experts’ classifications. We compute agreement measures to analyze the consensus between the experts when classifying the neurons. Using Bayesian networks and clustering algorithms on the resulting data, we investigate the suitability of the anatomical terms and neuron types commonly used in the literature. Additionally, we apply supervised learning approaches to automatically classify interneurons using the values of their morphological measurements. Then, a methodology for building a model which captures the opinions of all the experts is presented. First, one Bayesian network is learned for each expert, and we propose an algorithm for clustering Bayesian networks corresponding to experts with similar behaviors. Then, a Bayesian network which represents the opinions of each group of experts is induced. Finally, a consensus Bayesian multinet which models the opinions of the whole group of experts is built. A thorough analysis of the consensus model identifies different behaviors between the experts when classifying the interneurons in the experiment. A set of characterizing morphological traits for the neuronal types can be defined by performing inference in the Bayesian multinet. These findings are used to validate the model and to gain some insights into neuron morphology. Finally, we study a classification problem where the true class label of the training instances is not known. Instead, a set of class labels is available for each instance. This is inspired by the neuron classification problem, where a group of experts is asked to individually provide a class label for each instance. We propose a novel approach for learning Bayesian networks using count vectors which represent the number of experts who selected each class label for each instance. These Bayesian networks are evaluated using artificial datasets from supervised learning problems. Resumen La morfología neuronal es una característica clave en el estudio de los circuitos cerebrales, ya que está altamente relacionada con el procesado de información y con los roles funcionales. La morfología neuronal afecta al proceso de integración de las señales de entrada y determina las neuronas que reciben las salidas de otras neuronas. Las diferentes partes de la neurona pueden operar de forma semi-independiente de acuerdo a la localización espacial de las conexiones sinápticas. Por tanto, existe un interés considerable en el análisis de la microanatomía de las células nerviosas, ya que constituye una excelente herramienta para comprender mejor el funcionamiento de la corteza cerebral. Sin embargo, las propiedades morfológicas, moleculares y electrofisiológicas de las células neuronales son extremadamente variables. Excepto en algunos casos especiales, esta variabilidad morfológica dificulta la definición de un conjunto de características que distingan claramente un tipo neuronal. Además, existen diferentes tipos de neuronas en regiones particulares del cerebro. La variabilidad neuronal hace que el análisis y el modelado de la morfología neuronal sean un importante reto científico. La incertidumbre es una propiedad clave en muchos problemas reales. La teoría de la probabilidad proporciona un marco para modelar y razonar bajo incertidumbre. Los modelos gráficos probabilísticos combinan la teoría estadística y la teoría de grafos con el objetivo de proporcionar una herramienta con la que trabajar bajo incertidumbre. En particular, nos centraremos en las redes bayesianas, el modelo más utilizado dentro de los modelos gráficos probabilísticos. En esta tesis hemos diseñado nuevos métodos para aprender redes bayesianas, inspirados por y aplicados al problema del modelado y análisis de datos morfológicos de neuronas. La morfología de una neurona puede ser cuantificada usando una serie de medidas, por ejemplo, la longitud de las dendritas y el axón, el número de bifurcaciones, la dirección de las dendritas y el axón, etc. Estas medidas pueden ser modeladas como datos continuos o discretos. A su vez, los datos continuos pueden ser lineales (por ejemplo, la longitud o la anchura de una dendrita) o direccionales (por ejemplo, la dirección del axón). Estos datos pueden llegar a seguir distribuciones de probabilidad muy complejas y pueden no ajustarse a ninguna distribución paramétrica conocida. El modelado de este tipo de problemas con redes bayesianas híbridas incluyendo variables discretas, lineales y direccionales presenta una serie de retos en relación al aprendizaje a partir de datos, la inferencia, etc. En esta tesis se propone un método para modelar y simular árboles dendríticos basales de neuronas piramidales usando redes bayesianas para capturar las interacciones entre las variables del problema. Para ello, se mide un amplio conjunto de variables de las dendritas y se aplica un algoritmo de aprendizaje con el que se aprende la estructura y se estiman los parámetros de las distribuciones de probabilidad que constituyen las redes bayesianas. Después, se usa un algoritmo de simulación para construir dendritas virtuales mediante el muestreo de valores de las redes bayesianas. Finalmente, se lleva a cabo una profunda evaluaci ón para verificar la capacidad del modelo a la hora de generar dendritas realistas. En esta primera aproximación, las variables fueron discretizadas para poder aprender y muestrear las redes bayesianas. A continuación, se aborda el problema del aprendizaje de redes bayesianas con diferentes tipos de variables. Las mixturas de polinomios constituyen un método para representar densidades de probabilidad en redes bayesianas híbridas. Presentamos un método para aprender aproximaciones de densidades unidimensionales, multidimensionales y condicionales a partir de datos utilizando mixturas de polinomios. El método se basa en interpolación con splines, que aproxima una densidad como una combinación lineal de splines. Los algoritmos propuestos se evalúan utilizando bases de datos artificiales. Además, las mixturas de polinomios son utilizadas como un método no paramétrico de estimación de densidades para clasificadores basados en redes bayesianas. Después, se estudia el problema de incluir información direccional en redes bayesianas. Este tipo de datos presenta una serie de características especiales que impiden el uso de las técnicas estadísticas clásicas. Por ello, para manejar este tipo de información se deben usar estadísticos y distribuciones de probabilidad específicos, como la distribución univariante von Mises y la distribución multivariante von Mises–Fisher. En concreto, en esta tesis extendemos el clasificador naive Bayes al caso en el que las distribuciones de probabilidad condicionada de las variables predictoras dada la clase siguen alguna de estas distribuciones. Se estudia el caso base, en el que sólo se utilizan variables direccionales, y el caso híbrido, en el que variables discretas, lineales y direccionales aparecen mezcladas. También se estudian los clasificadores desde un punto de vista teórico, derivando sus funciones de decisión y las superficies de decisión asociadas. El comportamiento de los clasificadores se ilustra utilizando bases de datos artificiales. Además, los clasificadores son evaluados empíricamente utilizando bases de datos reales. También se estudia el problema de la clasificación de interneuronas. Desarrollamos una aplicación web que permite a un grupo de expertos clasificar un conjunto de neuronas de acuerdo a sus características morfológicas más destacadas. Se utilizan medidas de concordancia para analizar el consenso entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Se investiga la idoneidad de los términos anatómicos y de los tipos neuronales utilizados frecuentemente en la literatura a través del análisis de redes bayesianas y la aplicación de algoritmos de clustering. Además, se aplican técnicas de aprendizaje supervisado con el objetivo de clasificar de forma automática las interneuronas a partir de sus valores morfológicos. A continuación, se presenta una metodología para construir un modelo que captura las opiniones de todos los expertos. Primero, se genera una red bayesiana para cada experto y se propone un algoritmo para agrupar las redes bayesianas que se corresponden con expertos con comportamientos similares. Después, se induce una red bayesiana que modela la opinión de cada grupo de expertos. Por último, se construye una multired bayesiana que modela las opiniones del conjunto completo de expertos. El análisis del modelo consensuado permite identificar diferentes comportamientos entre los expertos a la hora de clasificar las neuronas. Además, permite extraer un conjunto de características morfológicas relevantes para cada uno de los tipos neuronales mediante inferencia con la multired bayesiana. Estos descubrimientos se utilizan para validar el modelo y constituyen información relevante acerca de la morfología neuronal. Por último, se estudia un problema de clasificación en el que la etiqueta de clase de los datos de entrenamiento es incierta. En cambio, disponemos de un conjunto de etiquetas para cada instancia. Este problema está inspirado en el problema de la clasificación de neuronas, en el que un grupo de expertos proporciona una etiqueta de clase para cada instancia de manera individual. Se propone un método para aprender redes bayesianas utilizando vectores de cuentas, que representan el número de expertos que seleccionan cada etiqueta de clase para cada instancia. Estas redes bayesianas se evalúan utilizando bases de datos artificiales de problemas de aprendizaje supervisado.

Toward a climate-dependent paradigm of ammonia emission & deposition.

Existing descriptions of bi-directional ammonia (NH3) land–atmosphere exchange incorporate temperature and moisture controls, and are beginning to be used in regional chemical transport models. However, such models have typically applied simpler emission factors to upscale the main NH3 emission terms. While this approach has successfully simulated the main spatial patterns on local to global scales, it fails to address the environment- and climate-dependence of emissions. To handle these issues, we outline the basis for a new modelling paradigm where both NH3 emissions and deposition are calculated online according to diurnal, seasonal and spatial differences in meteorology. We show how measurements reveal a strong, but complex pattern of climatic dependence, which is increasingly being characterized using ground-based NH3 monitoring and satellite observations, while advances in process-based modelling are illustrated for agricultural and natural sources, including a global application for seabird colonies. A future architecture for NH3 emission–deposition modelling is proposed that integrates the spatio-temporal interactions, and provides the necessary foundation to assess the consequences of climate change. Based on available measurements, a first empirical estimate suggests that 5°C warming would increase emissions by 42 per cent (28–67%). Together with increased anthropogenic activity, global NH3 emissions may increase from 65 (45–85) Tg N in 2008 to reach 132 (89–179) Tg by 2100.

Diseño basado en técnicas de fiabilidad del tratamiento de mejora del terreno mediante columnas de grava

El proyecto geotécnico de columnas de grava tiene todas las incertidumbres asociadas a un proyecto geotécnico y además hay que considerar las incertidumbres inherentes a la compleja interacción entre el terreno y la columna, la puesta en obra de los materiales y el producto final conseguido. Este hecho es común a otros tratamientos del terreno cuyo objetivo sea, en general, la mejora “profunda”. Como los métodos de fiabilidad (v.gr., FORM, SORM, Monte Carlo, Simulación Direccional) dan respuesta a la incertidumbre de forma mucho más consistente y racional que el coeficiente de seguridad tradicional, ha surgido un interés reciente en la aplicación de técnicas de fiabilidad a la ingeniería geotécnica. Si bien la aplicación concreta al proyecto de técnicas de mejora del terreno no es tan extensa. En esta Tesis se han aplicado las técnicas de fiabilidad a algunos aspectos del proyecto de columnas de grava (estimación de asientos, tiempos de consolidación y aumento de la capacidad portante) con el objetivo de efectuar un análisis racional del proceso de diseño, considerando los efectos que tienen la incertidumbre y la variabilidad en la seguridad del proyecto, es decir, en la probabilidad de fallo. Para alcanzar este objetivo se ha utilizado un método analítico avanzado debido a Castro y Sagaseta (2009), que mejora notablemente la predicción de las variables involucradas en el diseño del tratamiento y su evolución temporal (consolidación). Se ha estudiado el problema del asiento (valor y tiempo de consolidación) en el contexto de la incertidumbre, analizando dos modos de fallo: i) el primer modo representa la situación en la que es posible finalizar la consolidación primaria, parcial o totalmente, del terreno mejorado antes de la ejecución de la estructura final, bien sea por un precarga o porque la carga se pueda aplicar gradualmente sin afectar a la estructura o instalación; y ii) por otra parte, el segundo modo de fallo implica que el terreno mejorado se carga desde el instante inicial con la estructura definitiva o instalación y se comprueba que el asiento final (transcurrida la consolidación primaria) sea lo suficientemente pequeño para que pueda considerarse admisible. Para trabajar con valores realistas de los parámetros geotécnicos, los datos se han obtenido de un terreno real mejorado con columnas de grava, consiguiendo, de esta forma, un análisis de fiabilidad más riguroso. La conclusión más importante, obtenida del análisis de este caso particular, es la necesidad de precargar el terreno mejorado con columnas de grava para conseguir que el asiento ocurra de forma anticipada antes de la aplicación de la carga correspondiente a la estructura definitiva. De otra forma la probabilidad de fallo es muy alta, incluso cuando el margen de seguridad determinista pudiera ser suficiente. En lo que respecta a la capacidad portante de las columnas, existen un buen número de métodos de cálculo y de ensayos de carga (tanto de campo como de laboratorio) que dan predicciones dispares del valor de la capacidad última de las columnas de grava. En las mallas indefinidas de columnas, los resultados del análisis de fiabilidad han confirmado las consideraciones teóricas y experimentales existentes relativas a que no se produce fallo por estabilidad, obteniéndose una probabilidad de fallo prácticamente nula para este modo de fallo. Sin embargo, cuando se analiza, en el contexto de la incertidumbre, la capacidad portante de pequeños grupos de columnas bajo zapatas se ha obtenido, para un caso con unos parámetros geotécnicos típicos, que la probabilidad de fallo es bastante alta, por encima de los umbrales normalmente admitidos para Estados Límite Últimos. Por último, el trabajo de recopilación sobre los métodos de cálculo y de ensayos de carga sobre la columna aislada ha permitido generar una base de datos suficientemente amplia como para abordar una actualización bayesiana de los métodos de cálculo de la columna de grava aislada. El marco bayesiano de actualización ha resultado de utilidad en la mejora de las predicciones de la capacidad última de carga de la columna, permitiendo “actualizar” los parámetros del modelo de cálculo a medida que se dispongan de ensayos de carga adicionales para un proyecto específico. Constituye una herramienta valiosa para la toma de decisiones en condiciones de incertidumbre ya que permite comparar el coste de los ensayos adicionales con el coste de una posible rotura y , en consecuencia, decidir si es procedente efectuar dichos ensayos. The geotechnical design of stone columns has all the uncertainties associated with a geotechnical project and those inherent to the complex interaction between the soil and the column, the installation of the materials and the characteristics of the final (as built) column must be considered. This is common to other soil treatments aimed, in general, to “deep” soil improvement. Since reliability methods (eg, FORM, SORM, Monte Carlo, Directional Simulation) deals with uncertainty in a much more consistent and rational way than the traditional safety factor, recent interest has arisen in the application of reliability techniques to geotechnical engineering. But the specific application of these techniques to soil improvement projects is not as extensive. In this thesis reliability techniques have been applied to some aspects of stone columns design (estimated settlements, consolidation times and increased bearing capacity) to make a rational analysis of the design process, considering the effects of uncertainty and variability on the safety of the project, i.e., on the probability of failure. To achieve this goal an advanced analytical method due to Castro and Sagaseta (2009), that significantly improves the prediction of the variables involved in the design of treatment and its temporal evolution (consolidation), has been employed. This thesis studies the problem of stone column settlement (amount and speed) in the context of uncertainty, analyzing two failure modes: i) the first mode represents the situation in which it is possible to cause primary consolidation, partial or total, of the improved ground prior to implementation of the final structure, either by a pre-load or because the load can be applied gradually or programmed without affecting the structure or installation; and ii) on the other hand, the second mode implies that the improved ground is loaded from the initial instant with the final structure or installation, expecting that the final settlement (elapsed primary consolidation) is small enough to be allowable. To work with realistic values of geotechnical parameters, data were obtained from a real soil improved with stone columns, hence producing a more rigorous reliability analysis. The most important conclusion obtained from the analysis of this particular case is the need to preload the stone columns-improved soil to make the settlement to occur before the application of the load corresponding to the final structure. Otherwise the probability of failure is very high, even when the deterministic safety margin would be sufficient. With respect to the bearing capacity of the columns, there are numerous methods of calculation and load tests (both for the field and the laboratory) giving different predictions of the ultimate capacity of stone columns. For indefinite columns grids, the results of reliability analysis confirmed the existing theoretical and experimental considerations that no failure occurs due to the stability failure mode, therefore resulting in a negligible probability of failure. However, when analyzed in the context of uncertainty (for a case with typical geotechnical parameters), results show that the probability of failure due to the bearing capacity failure mode of a group of columns is quite high, above thresholds usually admitted for Ultimate Limit States. Finally, the review of calculation methods and load tests results for isolated columns, has generated a large enough database, that allowed a subsequent Bayesian updating of the methods for calculating the bearing capacity of isolated stone columns. The Bayesian updating framework has been useful to improve the predictions of the ultimate load capacity of the column, allowing to "update" the parameters of the calculation model as additional load tests become available for a specific project. Moreover, it is a valuable tool for decision making under uncertainty since it is possible to compare the cost of further testing to the cost of a possible failure and therefore to decide whether it is appropriate to perform such tests.

Superplastic deformation of directionally solidified nanofibrillar Al2O3-Y3Al5O12-ZrO2 eutectics

Nanofibrillar Al2O3–Y3Al5O12–ZrO2 eutectic rods were manufactured by directional solidification from the melt at high growth rates in an inert atmosphere using the laser-heated floating zone method. Under conditions of cooperative growth, the ternary eutectic presented a homogeneous microstructure, formed by bundles of single-crystal c-oriented Al2O3 and Y3Al5O12 (YAG) whiskers of ≈100 nm in width with smaller Y2O3-doped ZrO2 (YSZ) whiskers between them. Owing to the anisotropic fibrillar microstructure, Al2O3–YAG–YSZ ternary eutectics present high strength and toughness at ambient temperature while they exhibit superplastic behavior at 1600 K and above. Careful examination of the deformed samples by transmission electron microscopy did not show any evidence of dislocation activity and superplastic deformation was attributed to mass-transport by diffusion within the nanometric domains. This combination of high strength and toughness at ambient temperature together with the ability to support large deformations without failure above 1600 K is unique and shows a large potential to develop new structural materials for very high temperature structural applications.

Route-back delivery protocol for collection tree protocol-based applications

We propose the Route-back Delivery (RBD) protocol; a routing mechanism to create reverse routes exploiting the Collection Tree Protocol to allow unicast data dissemination from the sink. The main goal of this work is to provide a mechanism to enable bi-directional communications among the root(s) and specific sensor nodes in data gathering applications that does not use broadcast only mechanisms. The main objective of the root-to-remote-nodes route creation is to disseminate short messages to change application parameters in a unicast fashion. This facilitates remote configurability in heterogeneous WSN deployments.

OMNIWORKS: Omnidirectional vision for human-UAV co-working

The OMNIWORKS project objective is to develop an autonomous and modular aerial inspection system for an off-shore meteorological mast up to 90m in length. The UAV was equipped with an omni-directional camera and vertical take-off/landing capabilities that should be simple enough to operate as to not need the interventions of a professional pilot under challenging situations. Therefore the tests included different aspects used to evaluate both the technical performance of the UAV behavior as well as the operators? point of view.

Offshore stereo measurements of gravity waves

Stereo video techniques are effective for estimating the space-time wave dynamics over an area of the ocean. Indeed, a stereo camera view allows retrieval of both spatial and temporal data whose statistical content is richer than that of time series data retrieved from point wave probes. To prove this, we consider an application of the Wave Acquisition Stereo System (WASS) for the analysis of offshore video measurements of gravity waves in the Northern Adriatic Sea. In particular, we deployed WASS at the oceanographic platform Acqua Alta, off the Venice coast, Italy. Three experimental studies were performed, and the overlapping field of view of the acquired stereo images covered an area of approximately 1100 m2. Analysis of the WASS measurements show that the sea surface can be accurately estimated in space and time together, yielding associated directional spectra and wave statistics that agree well with theoretical models. From the observed wavenumber-frequency spectrum one can also predict the vertical profile of the current flow underneath the wave surface. Finally, future improvements of WASS and applications are discussed.

Spatial sampling methods for improved communication for wireless relay robots

Having reliable wireless communication in a network of mobile robots is an ongoing challenge, especially when the mobile robots are given tasks in hostile or harmful environments such as radiation environments in scientific facilities, tunnels with large metallic components and complicated geometries as found at CERN. In this paper, we propose a decentralised method for improving the wireless network throughput by optimizing the wireless relay robot position to receive the best wireless signal strength using implicit spatial diversity concepts and gradient-search algorithms. We experimentally demonstrate the effectiveness of the proposed solutions with a KUKA Youbot omni-directional mobile robot. The performance of the algorithms is compared under various scenarios in an underground scientific facility at CERN.

Monte Carlo Neutronics and Thermal-hydraulics coupling applied to Fast Reactors

Un escenario habitualmente considerado para el uso sostenible y prolongado de la energía nuclear contempla un parque de reactores rápidos refrigerados por metales líquidos (LMFR) dedicados al reciclado de Pu y la transmutación de actínidos minoritarios (MA). Otra opción es combinar dichos reactores con algunos sistemas subcríticos asistidos por acelerador (ADS), exclusivamente destinados a la eliminación de MA. El diseño y licenciamiento de estos reactores innovadores requiere herramientas computacionales prácticas y precisas, que incorporen el conocimiento obtenido en la investigación experimental de nuevas configuraciones de reactores, materiales y sistemas. A pesar de que se han construido y operado un cierto número de reactores rápidos a nivel mundial, la experiencia operacional es todavía reducida y no todos los transitorios se han podido entender completamente. Por tanto, los análisis de seguridad de nuevos LMFR están basados fundamentalmente en métodos deterministas, al contrario que las aproximaciones modernas para reactores de agua ligera (LWR), que se benefician también de los métodos probabilistas. La aproximación más usada en los estudios de seguridad de LMFR es utilizar una variedad de códigos, desarrollados a base de distintas teorías, en busca de soluciones integrales para los transitorios e incluyendo incertidumbres. En este marco, los nuevos códigos para cálculos de mejor estimación ("best estimate") que no incluyen aproximaciones conservadoras, son de una importancia primordial para analizar estacionarios y transitorios en reactores rápidos. Esta tesis se centra en el desarrollo de un código acoplado para realizar análisis realistas en reactores rápidos críticos aplicando el método de Monte Carlo. Hoy en día, dado el mayor potencial de recursos computacionales, los códigos de transporte neutrónico por Monte Carlo se pueden usar de manera práctica para realizar cálculos detallados de núcleos completos, incluso de elevada heterogeneidad material. Además, los códigos de Monte Carlo se toman normalmente como referencia para los códigos deterministas de difusión en multigrupos en aplicaciones con reactores rápidos, porque usan secciones eficaces punto a punto, un modelo geométrico exacto y tienen en cuenta intrínsecamente la dependencia angular de flujo. En esta tesis se presenta una metodología de acoplamiento entre el conocido código MCNP, que calcula la generación de potencia en el reactor, y el código de termohidráulica de subcanal COBRA-IV, que obtiene las distribuciones de temperatura y densidad en el sistema. COBRA-IV es un código apropiado para aplicaciones en reactores rápidos ya que ha sido validado con resultados experimentales en haces de barras con sodio, incluyendo las correlaciones más apropiadas para metales líquidos. En una primera fase de la tesis, ambos códigos se han acoplado en estado estacionario utilizando un método iterativo con intercambio de archivos externos. El principal problema en el acoplamiento neutrónico y termohidráulico en estacionario con códigos de Monte Carlo es la manipulación de las secciones eficaces para tener en cuenta el ensanchamiento Doppler cuando la temperatura del combustible aumenta. Entre todas las opciones disponibles, en esta tesis se ha escogido la aproximación de pseudo materiales, y se ha comprobado que proporciona resultados aceptables en su aplicación con reactores rápidos. Por otro lado, los cambios geométricos originados por grandes gradientes de temperatura en el núcleo de reactores rápidos resultan importantes para la neutrónica como consecuencia del elevado recorrido libre medio del neutrón en estos sistemas. Por tanto, se ha desarrollado un módulo adicional que simula la geometría del reactor en caliente y permite estimar la reactividad debido a la expansión del núcleo en un transitorio. éste módulo calcula automáticamente la longitud del combustible, el radio de la vaina, la separación de los elementos de combustible y el radio de la placa soporte en función de la temperatura. éste efecto es muy relevante en transitorios sin inserción de bancos de parada. También relacionado con los cambios geométricos, se ha implementado una herramienta que, automatiza el movimiento de las barras de control en busca d la criticidad del reactor, o bien calcula el valor de inserción axial las barras de control. Una segunda fase en la plataforma de cálculo que se ha desarrollado es la simulació dinámica. Puesto que MCNP sólo realiza cálculos estacionarios para sistemas críticos o supercríticos, la solución más directa que se propone sin modificar el código fuente de MCNP es usar la aproximación de factorización de flujo, que resuelve por separado la forma del flujo y la amplitud. En este caso se han estudiado en profundidad dos aproximaciones: adiabática y quasiestática. El método adiabático usa un esquema de acoplamiento que alterna en el tiempo los cálculos neutrónicos y termohidráulicos. MCNP calcula el modo fundamental de la distribución de neutrones y la reactividad al final de cada paso de tiempo, y COBRA-IV calcula las propiedades térmicas en el punto intermedio de los pasos de tiempo. La evolución de la amplitud de flujo se calcula resolviendo las ecuaciones de cinética puntual. Este método calcula la reactividad estática en cada paso de tiempo que, en general, difiere de la reactividad dinámica que se obtendría con la distribución de flujo exacta y dependiente de tiempo. No obstante, para entornos no excesivamente alejados de la criticidad ambas reactividades son similares y el método conduce a resultados prácticos aceptables. Siguiendo esta línea, se ha desarrollado después un método mejorado para intentar tener en cuenta el efecto de la fuente de neutrones retardados en la evolución de la forma del flujo durante el transitorio. El esquema consiste en realizar un cálculo cuasiestacionario por cada paso de tiempo con MCNP. La simulación cuasiestacionaria se basa EN la aproximación de fuente constante de neutrones retardados, y consiste en dar un determinado peso o importancia a cada ciclo computacial del cálculo de criticidad con MCNP para la estimación del flujo final. Ambos métodos se han verificado tomando como referencia los resultados del código de difusión COBAYA3 frente a un ejercicio común y suficientemente significativo. Finalmente, con objeto de demostrar la posibilidad de uso práctico del código, se ha simulado un transitorio en el concepto de reactor crítico en fase de diseño MYRRHA/FASTEF, de 100 MW de potencia térmica y refrigerado por plomo-bismuto. ABSTRACT Long term sustainable nuclear energy scenarios envisage a fleet of Liquid Metal Fast Reactors (LMFR) for the Pu recycling and minor actinides (MAs) transmutation or combined with some accelerator driven systems (ADS) just for MAs elimination. Design and licensing of these innovative reactor concepts require accurate computational tools, implementing the knowledge obtained in experimental research for new reactor configurations, materials and associated systems. Although a number of fast reactor systems have already been built, the operational experience is still reduced, especially for lead reactors, and not all the transients are fully understood. The safety analysis approach for LMFR is therefore based only on deterministic methods, different from modern approach for Light Water Reactors (LWR) which also benefit from probabilistic methods. Usually, the approach adopted in LMFR safety assessments is to employ a variety of codes, somewhat different for the each other, to analyze transients looking for a comprehensive solution and including uncertainties. In this frame, new best estimate simulation codes are of prime importance in order to analyze fast reactors steady state and transients. This thesis is focused on the development of a coupled code system for best estimate analysis in fast critical reactor. Currently due to the increase in the computational resources, Monte Carlo methods for neutrons transport can be used for detailed full core calculations. Furthermore, Monte Carlo codes are usually taken as reference for deterministic diffusion multigroups codes in fast reactors applications because they employ point-wise cross sections in an exact geometry model and intrinsically account for directional dependence of the ux. The coupling methodology presented here uses MCNP to calculate the power deposition within the reactor. The subchannel code COBRA-IV calculates the temperature and density distribution within the reactor. COBRA-IV is suitable for fast reactors applications because it has been validated against experimental results in sodium rod bundles. The proper correlations for liquid metal applications have been added to the thermal-hydraulics program. Both codes are coupled at steady state using an iterative method and external files exchange. The main issue in the Monte Carlo/thermal-hydraulics steady state coupling is the cross section handling to take into account Doppler broadening when temperature rises. Among every available options, the pseudo materials approach has been chosen in this thesis. This approach obtains reasonable results in fast reactor applications. Furthermore, geometrical changes caused by large temperature gradients in the core, are of major importance in fast reactor due to the large neutron mean free path. An additional module has therefore been included in order to simulate the reactor geometry in hot state or to estimate the reactivity due to core expansion in a transient. The module automatically calculates the fuel length, cladding radius, fuel assembly pitch and diagrid radius with the temperature. This effect will be crucial in some unprotected transients. Also related to geometrical changes, an automatic control rod movement feature has been implemented in order to achieve a just critical reactor or to calculate control rod worth. A step forward in the coupling platform is the dynamic simulation. Since MCNP performs only steady state calculations for critical systems, the more straight forward option without modifying MCNP source code, is to use the flux factorization approach solving separately the flux shape and amplitude. In this thesis two options have been studied to tackle time dependent neutronic simulations using a Monte Carlo code: adiabatic and quasistatic methods. The adiabatic methods uses a staggered time coupling scheme for the time advance of neutronics and the thermal-hydraulics calculations. MCNP computes the fundamental mode of the neutron flux distribution and the reactivity at the end of each time step and COBRA-IV the thermal properties at half of the the time steps. To calculate the flux amplitude evolution a solver of the point kinetics equations is used. This method calculates the static reactivity in each time step that in general is different from the dynamic reactivity calculated with the exact flux distribution. Nevertheless, for close to critical situations, both reactivities are similar and the method leads to acceptable practical results. In this line, an improved method as an attempt to take into account the effect of delayed neutron source in the transient flux shape evolutions is developed. The scheme performs a quasistationary calculation per time step with MCNP. This quasistationary simulations is based con the constant delayed source approach, taking into account the importance of each criticality cycle in the final flux estimation. Both adiabatic and quasistatic methods have been verified against the diffusion code COBAYA3, using a theoretical kinetic exercise. Finally, a transient in a critical 100 MWth lead-bismuth-eutectic reactor concept is analyzed using the adiabatic method as an application example in a real system.

Restauración virtual del patrimonio sonoro. Aplicación al antiguo rito hispánico

Una de las aplicaciones más interesantes de las tecnologías de Realidad Acústica Virtual es la posibilidad de recuperar el patrimonio cultural del sonido de los recintos históricos que se han perdido o cuyas características se han modificado a lo largo de los siglos. En este trabajo, las tecnologías de realidad acústica virtual se utilizan para tratar de reconstruir virtualmente el sonido producido en las actividades litúrgicas del antiguo rito hispánico. Bajo este nombre se conoce a la liturgia que celebraban los cristianos de la península ibérica hasta su prohibición, en favor del culto romano, a mediados del siglo XI. El rito hispánico -también conocido como rito visigótico-mozárabe- es una de las manifestaciones culturales más interesantes de la Alta Edad Media en occidente. Se trata de un patrimonio cultural desaparecido, tanto desde el punto de vista de las señales sonoras que lo integraban -ya que la mayoría de las melodías que conformaban el rito se han perdido- como desde el punto de vista de los espacios en los que se desarrollaba, debido a que las iglesias conservadas de la época han experimentado modificaciones a lo largo de los siglos que alteran sus condiciones acústicas con respecto a las que tenían en el periodo de vigencia de esta liturgia. Para llevar a cabo este proyecto, se han realizado modelos acústicos digitales de un grupo representativo de iglesias prerrománicas de la Península Ibérica en su estado primitivo. Se ha procurado que las iglesias seleccionadas representen la variedad de comportamientos acústicos esperables en este tipo de edificios. Con este objetivo, se han elegido cinco iglesias prerrománicas que presentan diferencias sustanciales en los parámetros que, a priori, van a influir en mayor manera a su comportamiento acústico: el volumen del recinto, la forma de la planta y el tipo de cubierta. El proceso de creación de los modelos acústicos digitales de las iglesias se ha dividido en dos fases: en la primera se han creado modelos de los edificios en su estado actual, que se han validado a partir de los datos obtenidos en mediciones acústicas realizadas in situ; a partir de los modelos validados de las iglesias en su estado actual, en la segunda fase se han generado los modelos acústicos digitales correspondientes al estado primitivo de las mismas, modificando los modelos anteriores de acuerdo con las hipótesis de reconstrucción propuestas en las investigaciones arqueológicas más recientes. Se han realizado grabaciones en cámara anecoica de una serie de piezas del repertorio original del canto mozárabe. Las grabaciones se han llevado a cabo con un array esférico compuesto por 32 micrófonos, con objeto de obtener información sobre la directividad de la emisión sonora de los cantantes, que se aplicará en las auralizaciones. Finalmente, se han realizado diversas auralizaciones, teniendo en cuenta diferentes configuraciones litúrgicas que eran usuales en este rito. ABSTRACT One of the most interesting applications of the Acoustic Virtual Reality technologies is the possibility to recover the cultural heritage of the sound of the historical sites that have been lost or whose characteristics have been modified through time. In this work, Acoustic Virtual Reality technologies are used to try to reconstruct virtually the sound produced in the liturgical activities of the Hispanic Rite. This is the name given to the liturgy celebrated by Christians of the Iberian Peninsula prior to the introduction of the Roman cult in the mid-eleventh century. The Hispanic Rite (also known as Visigothic or Mozarabic rite) is one of the most interesting cultural manifestations of the Middle Ages. It is a lost cultural heritage, both from the point of view of the sound signals that were used since the majority of the melodies that conformed the rite have been lost, and from the point of view of the spaces in which this liturgy was celebrated, because the churches preserved from that era have changed over the centuries altering its acoustic conditions respect to which they were in the period in which this liturgy was in effect. To carry out this project, acoustic models of a representative group of the pre-Romanesque churches in the Iberian Peninsula have been made in his primitive state. To select the sample of buildings to study, efforts have been made to ensure that the selected churches were representative of the range of expected acoustic behaviors in this type of buildings. Five churches have been selected, showing differences in the parameters that have the greatest influence on their acoustic behavior: the enclosure volume, the shape of the floor plan and the type of roof. The process of creating digital acoustic models of the churches has been divided into two phases. In the first phase acoustic models of the churches in its current state have been created. These models have been validated with the data obtained from in situ acoustic measurements. From the validated models of churches in its current state, in the second phase, changes in the acoustic models have been performed in order to represent the primitive state of the churches, according to the historical reconstruction hypothesis that have been proposed in the most recent archaeological investigations. Anechoic recordings of a series of pieces of the original Mozarabic Chant repertoire have been recorded. The recordings were made with a spherical array composed of 32 microphones, in order to obtain information on the directivity of the sound emission of the singers. These directivity data will be used to simulate the directional radiation of the sound sources in the auralizations. Finally, auralizations were produced corresponding to different liturgical configurations which were common in this rite.

Caracterización y simulación de arborizaciones dentríticas con redes bayesianas incluyendo variables angulares

El funcionamiento interno del cerebro es todavía hoy en día un misterio, siendo su comprensión uno de los principales desafíos a los que se enfrenta la ciencia moderna. El córtex cerebral es el área del cerebro donde tienen lugar los procesos cerebrales de más alto nivel, cómo la imaginación, el juicio o el pensamiento abstracto. Las neuronas piramidales, un tipo específico de neurona, suponen cerca del 80% de los cerca de los 10.000 millones de que componen el córtex cerebral, haciendo de ellas un objetivo principal en el estudio del funcionamiento del cerebro. La morfología neuronal, y más específicamente la morfología dendrítica, determina cómo estas procesan la información y los patrones de conexión entre neuronas, siendo los modelos computacionales herramientas imprescindibles para el estudio de su rol en el funcionamiento del cerebro. En este trabajo hemos creado un modelo computacional, con más de 50 variables relativas a la morfología dendrítica, capaz de simular el crecimiento de arborizaciones dendríticas basales completas a partir de reconstrucciones de neuronas piramidales reales, abarcando desde el número de dendritas hasta el crecimiento los los árboles dendríticos. A diferencia de los trabajos anteriores, nuestro modelo basado en redes Bayesianas contempla la arborización dendrítica en su conjunto, teniendo en cuenta las interacciones entre dendritas y detectando de forma automática las relaciones entre las variables morfológicas que caracterizan la arborización. Además, el análisis de las redes Bayesianas puede ayudar a identificar relaciones hasta ahora desconocidas entre variables morfológicas. Motivado por el estudio de la orientación de las dendritas basales, en este trabajo se introduce una regularización L1 generalizada, aplicada al aprendizaje de la distribución von Mises multivariante, una de las principales distribuciones de probabilidad direccional multivariante. También se propone una distancia circular multivariante que puede utilizarse para estimar la divergencia de Kullback-Leibler entre dos muestras de datos circulares. Comparamos los modelos con y sin regularizaci ón en el estudio de la orientación de la dendritas basales en neuronas humanas, comprobando que, en general, el modelo regularizado obtiene mejores resultados. El muestreo, ajuste y representación de la distribución von Mises multivariante se implementa en un nuevo paquete de R denominado mvCircular.---ABSTRACT---The inner workings of the brain are, as of today, a mystery. To understand the brain is one of the main challenges faced by current science. The cerebral cortex is the region of the brain where all superior brain processes, like imagination, judge and abstract reasoning take place. Pyramidal neurons, a specific type of neurons, constitute approximately the 80% of the more than 10.000 million neurons that compound the cerebral cortex. It makes the study of the pyramidal neurons crucial in order to understand how the brain works. Neuron morphology, and specifically the dendritic morphology, determines how the information is processed in the neurons, as well as the connection patterns among neurons. Computational models are one of the main tools for studying dendritic morphology and its role in the brain function. We have built a computational model that contains more than 50 morphological variables of the dendritic arborizations. This model is able to simulate the growth of complete dendritic arborizations from real neuron reconstructions, starting with the number of basal dendrites, and ending modeling the growth of dendritic trees. One of the main diferences between our approach, mainly based on the use of Bayesian networks, and other models in the state of the art is that we model the whole dendritic arborization instead of focusing on individual trees, which makes us able to take into account the interactions between dendrites and to automatically detect relationships between the morphologic variables that characterize the arborization. Moreover, the posterior analysis of the relationships in the model can help to identify new relations between morphological variables. Motivated by the study of the basal dendrites orientation, a generalized L1 regularization applied to the multivariate von Mises distribution, one of the most used distributions in multivariate directional statistics, is also introduced in this work. We also propose a circular multivariate distance that can be used to estimate the Kullback-Leibler divergence between two circular data samples. We compare the regularized and unregularized models on basal dendrites orientation of human neurons and prove that regularized model achieves better results than non regularized von Mises model. Sampling, fitting and plotting functions for the multivariate von Mises are implemented in a new R packaged called mvCircular.

Development and improvement of protection-system algorithms for ground-fault detection and location in synchronous machines

Uno de los defectos más frecuentes en los generadores síncronos son los defectos a tierra tanto en el devanado estatórico, como de excitación. Se produce un defecto cuando el aislamiento eléctrico entre las partes activas de cualquiera de estos devanados y tierra se reduce considerablemente o desaparece. La detección de los defectos a tierra en ambos devanados es un tema ampliamente estudiado a nivel industrial. Tras la detección y confirmación de la existencia del defecto, dicha falta debe ser localizada a lo largo del devanado para su reparación, para lo que habitualmente el rotor debe ser extraído del estator. Esta operación resulta especialmente compleja y cara. Además, el hecho de limitar la corriente de defecto en ambos devanados provoca que el defecto no sea localizable visualmente, pues apenas existe daño en el generador. Por ello, se deben aplicar técnicas muy laboriosas para localizar exactamente el defecto y poder así reparar el devanado. De cara a reducir el tiempo de reparación, y con ello el tiempo en que el generador esta fuera de servicio, cualquier información por parte del relé de protección acerca de la localización del defecto resultaría de gran utilidad. El principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido el desarrollo de nuevos algoritmos que permitan la estimación de la localización de los defectos a tierra tanto en el devanado rotórico como estatórico de máquinas síncronas. Respecto al devanado de excitación, se ha presentado un nuevo método de localización de defectos a tierra para generadores con excitación estática. Este método permite incluso distinguir si el defecto se ha producido en el devanado de excitación, o en cualquiera de los componentes del sistema de excitación, esto es, transformador de excitación, conductores de alimentación del rectificador controlado, etc. En caso de defecto a tierra en del devanado rotórico, este método proporciona una estimación de su localización. Sin embargo, para poder obtener la localización del defecto, se precisa conocer el valor de resistencia de defecto. Por ello, en este trabajo se presenta además un nuevo método para la estimación de este parámetro de forma precisa. Finalmente, se presenta un nuevo método de detección de defectos a tierra, basado en el criterio direccional, que complementa el método de localización, permitiendo tener en cuenta la influencia de las capacidades a tierra del sistema. Estas capacidades resultan determinantes a la hora de localizar el defecto de forma adecuada. En relación con el devanado estatórico, en esta tesis doctoral se presenta un nuevo algoritmo de localización de defectos a tierra para generadores que dispongan de la protección de faltas a tierra basada en la inyección de baja frecuencia. Se ha propuesto un método general, que tiene en cuenta todos los parámetros del sistema, así como una versión simplificada del método para generadores con capacidades a tierra muy reducida, que podría resultar de fácil implementación en relés de protección comercial. Los algoritmos y métodos presentados se han validado mediante ensayos experimentales en un generador de laboratorio de 5 kVA, así como en un generador comercial de 106 MVA con resultados satisfactorios y prometedores. ABSTRACT One of the most common faults in synchronous generators is the ground fault in both the stator winding and the excitation winding. In case of fault, the insulation level between the active part of any of these windings and ground lowers considerably, or even disappears. The detection of ground faults in both windings is a very researched topic. The fault current is typically limited intentionally to a reduced level. This allows to detect easily the ground faults, and therefore to avoid damage in the generator. After the detection and confirmation of the existence of a ground fault, it should be located along the winding in order to repair of the machine. Then, the rotor has to be extracted, which is a very complex and expensive operation. Moreover, the fact of limiting the fault current makes that the insulation failure is not visually detectable, because there is no visible damage in the generator. Therefore, some laborious techniques have to apply to locate accurately the fault. In order to reduce the repair time, and therefore the time that the generator is out of service, any information about the approximate location of the fault would be very useful. The main objective of this doctoral thesis has been the development of new algorithms and methods to estimate the location of ground faults in the stator and in the rotor winding of synchronous generators. Regarding the excitation winding, a new location method of ground faults in excitation winding of synchronous machines with static excitation has been presented. This method allows even to detect if the fault is at the excitation winding, or in any other component of the excitation system: controlled rectifier, excitation transformer, etc. In case of ground fault in the rotor winding, this method provides an estimation of the fault location. However, in order to calculate the location, the value of fault resistance is necessary. Therefore, a new fault-resistance estimation algorithm is presented in this text. Finally, a new fault detection algorithm based on directional criterion is described to complement the fault location method. This algorithm takes into account the influence of the capacitance-to-ground of the system, which has a remarkable impact in the accuracy of the fault location. Regarding the stator winding, a new fault-location algorithm has been presented for stator winding of synchronous generators. This algorithm is applicable to generators with ground-fault protection based in low-frequency injection. A general algorithm, which takes every parameter of the system into account, has been presented. Moreover, a simplified version of the algorithm has been proposed for generators with especially low value of capacitance to ground. This simplified algorithm might be easily implementable in protective relays. The proposed methods and algorithms have been tested in a 5 kVA laboratory generator, as well as in a 106 MVA synchronous generator with satisfactory and promising results.

Nonlinear seismic behaviour of concrete arch bridges

Arch bridge structural solution has been known for centuries, in fact the simple nature of arch that require low tension and shear strength was an advantage as the simple materials like stone and brick were the only option back in ancient centuries. By the pass of time especially after industrial revolution, the new materials were adopted in construction of arch bridges to reach longer spans. Nowadays one long span arch bridge is made of steel, concrete or combination of these two as "CFST", as the result of using these high strength materials, very long spans can be achieved. The current record for longest arch belongs to Chaotianmen bridge over Yangtze river in China with 552 meters span made of steel and the longest reinforced concrete type is Wanxian bridge which also cross the Yangtze river through a 420 meters span. Today the designer is no longer limited by span length as long as arch bridge is the most applicable solution among other approaches, i.e. cable stayed and suspended bridges are more reasonable if very long span is desired. Like any super structure, the economical and architectural aspects in construction of a bridge is extremely important, in other words, as a narrower bridge has better appearance, it also require smaller volume of material which make the design more economical. Design of such bridge, beside the high strength materials, requires precise structural analysis approaches capable of integrating the combination of material behaviour and complex geometry of structure and various types of loads which may be applied to bridge during its service life. Depend on the design strategy, analysis may only evaluates the linear elastic behaviour of structure or consider the nonlinear properties as well. Although most of structures in the past were designed to act in their elastic range, the rapid increase in computational capacity allow us to consider different sources of nonlinearities in order to achieve a more realistic evaluations where the dynamic behaviour of bridge is important especially in seismic zones where large movements may occur or structure experience P - _ effect during the earthquake. The above mentioned type of analysis is computationally expensive and very time consuming. In recent years, several methods were proposed in order to resolve this problem. Discussion of recent developments on these methods and their application on long span concrete arch bridges is the main goal of this research. Accordingly available long span concrete arch bridges have been studied to gather the critical information about their geometrical aspects and properties of their materials. Based on concluded information, several concrete arch bridges were designed for further studies. The main span of these bridges range from 100 to 400 meters. The Structural analysis methods implemented in in this study are as following: Elastic Analysis: Direct Response History Analysis (DRHA): This method solves the direct equation of motion over time history of applied acceleration or imposed load in linear elastic range. Modal Response History Analysis (MRHA): Similar to DRHA, this method is also based on time history, but the equation of motion is simplified to single degree of freedom system and calculates the response of each mode independently. Performing this analysis require less time than DRHA. Modal Response Spectrum Analysis (MRSA): As it is obvious from its name, this method calculates the peak response of structure for each mode and combine them using modal combination rules based on the introduced spectra of ground motion. This method is expected to be fastest among Elastic analysis. Inelastic Analysis: Nonlinear Response History Analysis (NL-RHA): The most accurate strategy to address significant nonlinearities in structural dynamics is undoubtedly the nonlinear response history analysis which is similar to DRHA but extended to inelastic range by updating the stiffness matrix for every iteration. This onerous task, clearly increase the computational cost especially for unsymmetrical buildings that requires to be analyzed in a full 3D model for taking the torsional effects in to consideration. Modal Pushover Analysis (MPA): The Modal Pushover Analysis is basically the MRHA but extended to inelastic stage. After all, the MRHA cannot solve the system of dynamics because the resisting force fs(u; u_ ) is unknown for inelastic stage. The solution of MPA for this obstacle is using the previously recorded fs to evaluate system of dynamics. Extended Modal Pushover Analysis (EMPA): Expanded Modal pushover is a one of very recent proposed methods which evaluates response of structure under multi-directional excitation using the modal pushover analysis strategy. In one specific mode,the original pushover neglect the contribution of the directions different than characteristic one, this is reasonable in regular symmetric building but a structure with complex shape like long span arch bridges may go through strong modal coupling. This method intend to consider modal coupling while it take same time of computation as MPA. Coupled Nonlinear Static Pushover Analysis (CNSP): The EMPA includes the contribution of non-characteristic direction to the formal MPA procedure. However the static pushovers in EMPA are performed individually for every mode, accordingly the resulted values from different modes can be combined but this is only valid in elastic phase; as soon as any element in structure starts yielding the neutral axis of that section is no longer fixed for both response during the earthquake, meaning the longitudinal deflection unavoidably affect the transverse one or vice versa. To overcome this drawback, the CNSP suggests executing pushover analysis for governing modes of each direction at the same time. This strategy is estimated to be more accurate than MPA and EMPA, moreover the calculation time is reduced because only one pushover analysis is required. Regardless of the strategy, the accuracy of structural analysis is highly dependent on modelling and numerical integration approaches used in evaluation of each method. Therefore the widely used Finite Element Method is implemented in process of all analysis performed in this research. In order to address the study, chapter 2, starts with gathered information about constructed long span arch bridges, this chapter continuous with geometrical and material definition of new models. Chapter 3 provides the detailed information about structural analysis strategies; furthermore the step by step description of procedure of all methods is available in Appendix A. The document ends with the description of results and conclusion of chapter 4.

Auditorium: una tipología del siglo XX

Se recoge en esta tesis doctoral la definición y clasificación de los edificios cuya finalidad es proporcionar espacios para escuchar y producir música. Se centra en aquellos construidos a lo largo del siglo XX, en el área geográfica y cultural que forman Europa occidental y Estados Unidos. Se analizan edificios construidos en el pasado, en una serie que se origina a mediados del siglo XIX y que se culmina terciado el propio siglo XX. Son edificios que contienen espacios pensados para músicas que, sin embargo, en su mayoría fueron creadas en un periodo anterior, desde mediados del siglo XVIII hasta las primeras décadas del siglo pasado. Un auditorium es un edificio cuya idea conlleva la compleja herencia de los múltiples lugares, abiertos y cerrados, que han alojado la música a lo largo del tiempo. Es un edificio que es útil a la sociedad y que ocupa un lugar significativo dentro de la ciudad, y es consecuencia del campo de fuerzas que constituyen los avances técnicos, el progreso de las sociedades urbanas y la evolución del arte, al compartir estrechamente, música y arquitectura, el interés por hallar la expresión de una nueva relación con la naturaleza. Se parte de la hipótesis de que el auditorium puede constituir un tipo arquitectónico con entidad suficiente para generar una tipología. Entendida ésta como una herramienta que dota de conocimientos útiles a quien va a proyectar un edificio para la música y también que permita abrir el campo de pensamiento sobre el espacio musical, sin necesidad de recurrir a modelos previos, aunque se hayan manifestado útiles y precisos. Se comienza con una aproximación a una definición del término «auditorium » y se analizan a qué funciones responde y en qué es distinto de otros edificios, a través de determinar las características formales propias. Para ello se articula la tesis en varios bloques de análisis. I Elementos para una tipología Se indaga en los atributos que determinan la naturaleza de los auditorios para definir cómo son estos edificios y qué características y condiciones tienen, no sólo las salas sino también los edificios que las contienen, buscando el origen de los espacios musicales y su relación con las personas que allí se han reunido para celebrar, a través de la música, acontecimientos colectivos. Relación que ha comportado desplazamientos por los distintos espacios que ha compartido, supeditada a otras actividades, hasta que finalmente, la música ha reclamado espacios propios. Pero también se establece otra relación física entre las distintas posiciones que ocupan en el espacio cuantos intervienen en la celebración del hecho musical, músicos y público. De otra parte se analiza cómo son sus espacios interiores, salas y vestíbulos, y los volúmenes y formas de los edificios en relación con la ciudad. Su conexión con la idea del paisaje abierto y con el carácter originario de la cueva. II Cinco tiempos Los edificios sobre los que se van explorar estas capacidades son en muchos casos arquitecturas divulgadas y conocidas. Sin embargo no todas han tenido desde su aparición el mismo grado de aprecio ni reconocimiento, y sólo el paso del tiempo ha confirmado su excelencia. El estudio se estructura en los periodos marcados por los acontecimientos bélicos y las grandes crisis que sacudieron Europa y Norte América desde comienzos del siglo XX. La identificación de los elementos significativos de la tipología se hace a través del análisis de distintos tiempos que agrupan casos heterogéneos, tiempos entendidos unas veces como la relación entre edificios coetáneos y otra como proyectos pensados por un mismo arquitecto y se detiene, entre otros, en cuatro excepcionales edificios que condensan la experiencia de varias décadas y demuestran su plenitud arquitectónica, por haber evolucionado de modelos precedentes o por su novedosas aportaciones. El Royal Festival Hall (1951), el Kresge Auditorium (1954), el Kulttuuritalo (1958) y la Philharmonie de Berlín (1963), sirven de base para una clasificación del auditorium. III Cronología gráfica Este apartado es fundamentalmente gráfico y consta un inventario de más de 100 archivos correspondientes a otros tantos auditorios y sus salas, en orden cronológico. Cada archivo cuenta con una imagen del exterior del edificio y otra del interior de la sala. Se han incorporado en cada uno de los archivos, dos dibujos a la misma escala. El primero muestra la planta de la sala con tres parámetros: la ocupación del público en referencia al lugar que ocupa la orquesta, la relación de tamaño entre la sala y las de los cuatro auditorios de referencia y la distancia al foco de sonido, la orquesta, mediante una escala en metros. Estos tres parámetros están superpuestos al que he considerado espacio audible, un rectángulo de 60 por 90 metros, en el que el foco está desplazado, por considerar que el sonido de una orquesta tiene una componente directional y que en esas dimensiones la energía sonora no decae. En el friso bajo el dibujo, aparecen cuatro iconos que informan de la relación formal de la sala con la del auditorium. Puede ser una sala dentro de un edificio sin correspondencia formal, un edificio en el que se manifiesta exteriormente el volumen de la sala, un edificio que tiene la forma de la sala y resuelve el resto del programa funcional sin manifestarlo exteriormente o, finalmente un edificio complejo cuya forma absorbe dos o más salas de música. El segundo dibujo es la sección longitudinal de la sala, recortada sobre un fondo negro para destacar su forma y proporción, todas están a la misma escala y en la misma dirección respecto del escenario para facilitar su lectura y comparación. En el parte inferior de la sección, aparecen cuatro esquemas de la forma y distribución en planta sobre el que destaca la de cada caso de estudio. La forma del techo de las salas de música de los auditorios, expresada a través de la sección longitudinal, es uno de los elementos que caracteriza el espacio musical. El perímetro de la sección, determina su superficie y por tanto, el volumen total interior. Es una herramienta técnica que permite dirigir el sonido reflejado en él, hasta cualquier lugar del interior de la sala, garantizando una distribución homogénea y evitando concentraciones perjudiciales o «sombras acústicas», lugares donde no llegan las primeras reflexiones. IV Geometría de las salas El análisis efectuado permite la elaboración de paralelos de tres de los elementos fundamentales de la tipología de las salas de los auditorium y que definen el espacio musical. El perímetro de la sección y su superficie que establecen el volumen total interior, que es un factor determinante en la reverberación de una sala. La forma y superficie del techo, que interviene directamente en el cálculo de la absorción del sonido, en función de la cualidad reflejante o absorbente del material con el que está construido, y por otra parte en la distribución del sonido en el espacio. Y por último, la forma del suelo de las salas también expresada a través de la sección longitudinal, es otro de los elementos que caracteriza el espacio musical. El modelado del suelo permite mediante distintas pendientes garantizar la correcta visión del escenario y por tanto permite también una buena audición, puesto que la llegada directa del sonido está asegurada. La otra limitación dimensional es el ancho de la grada. Cuando se ha buscado incrementar al máximo la capacidad de una sala, se han establecido graderíos en balcones en voladizo para no penalizar la distancia al escenario, de manera que algunas partes del graderío quedan cubiertas, en detrimento de su calidad acústica al privarlas de las primeras reflexiones que proceden del techo. V Auditórium y ciudad El auditorium es un edificio singular que establece con la ciudad una relación particular y que contiene en su interior una o varias salas especiales destinadas a oír y ejecutar música, a las que se accede a través de otros espacios de carácter social. Han ido evolucionando y modificándose de manera ininterrumpida, dando lugar a edificios de diversa complejidad en su programa y a salas cada vez mas especificas para cumplir mejor su cometido, perfeccionando su sonido y buscando la más elevada musicalidad. Estos edificios disponen de otros ámbitos de relación, son los espacios interiores, vestíbulos y escaleras, generalmente generosos en superficie y espacialidad, previos al espacio musical, corazón del auditorium donde suena la música en condiciones acústicas precisas. También el lugar donde se construyen los auditoriums en las ciudades tiene un especial significado, porque generalmente han buscado interponer espacios abiertos o ajardinados que suavicen el contacto directo con la ciudad y que implican, por otra parte, una preparación de las personas que asisten para escuchar los conciertos. Con el paso del tiempo, la aceptación generalizada de formas afianzadas en la ciudad, será uno de los vehículos que permita contaminar a otros tipos de edificios y alcanzar una libertad formal renovadora de los paisajes urbanos. Conclusiones La disolución del espacio musical convencional pregonado por el pabellón Philips del año 1958, no ha impedido que hoy siga vivo para el arquitecto el reto del proyecto y construcción del auditorium. Hoy conviven experiencias musicales totales; imagen, luz y movimiento, ocupando todo tipo de espacios públicos, cerrados o al aire libre, con la voluntad de conseguir espacios capaces de crear la intimidad y las precisas condiciones ambientales que hagan posible la recreación de las músicas del pasado en una especie de emocionante museo sonoro vivo. Como edificios urbanos, los auditoriums han conseguido un lugar destacado en la iconografía urbana después de un largo camino hasta conseguir el reconocimiento social. Se puede, así, establecer que estos edificios han introducido en la ciudad una nueva manera de expresarse la arquitectura. Que lo inesperado de sus formas y volúmenes en el espacio urbano, o la sorpresa de sus interiores altamente técnicos, justificados para satisfacer las nuevas necesidades impuestas por una audiencia cada vez más y más experta, obtienen la aceptación urbana por su utilidad social y por su capacidad de establecer una relación distinta entre las personas, la ciudad y la naturaleza. Coda Finalmente, el epílogo habla de la metamorfosis del espacio musical y de la convivencia de distintos espacios musicales en la actualidad. Desde la creación de las primeras y sencillas salas de música hasta las grandes salas filarmónicas que se construyen en las últimas décadas, la arquitectura ha proporcionado lugares adecuados para contener y disfrutar la música, espacios que se han modificado según cambiaban las formas musicales. Sin embargo el sonido parece mostrarse reticente a ser encerrado en el espacio y busca aliarse con el tiempo para conseguir un desplazamiento permanente. Seguramente es en el pabellón Philips de Bruselas en 1958 donde se presenta el último intento de la arquitectura de contener la música, que impulsada por tecnologías absolutamente nuevas, se mueve como dardos que atraviesan el espacio en todos los lugares y en todas las direcciones. Desde aquellas décadas centrales del pasado siglo, y superando los mas optimistas intentos de distribuir masivamente la música a través de incipientes tecnologías, se puede afirmar que vivimos en una inmersión sonora universal. Anexos Incluyen, una colección de mapas de la geografía de los auditorios europeos y norte-americanos, referenciados a los periodos de su construcción, y una relación de los auditorios estudiados con referencias bibliográficas. ABSTRACT This doctoral thesis does not only look at the ways in which architecture and music relate with one another; it also seeks to be an exact, scientific study of auditoriums, a building type that first appeared in the 20th century as a place in which to produce and listen to music. It studies concert halls, raised in Europe and the United Stated in the 20th century, for the purpose of recreating older music, that were the result of the evolution of various ancient building types. Auditoriums have a complex heritage of architecture of all times, openair and covered alike, and occupy important spots in cities. They incorporate the technical innovations of their times, and are reflections not only of the music played within them, but also of the societies that built them. Music and architecture share an interest in connecting with nature. Auditorium, a 20th-century Typology tries to define this building typology, and with that, be a practical tool in designing and constructing spaces for music, besides exploring the relationship between the two disciplines, architecture and music, and establishing the foundations for an entire school of thought. It is organized in five chapters, each focusing on a particular aspect of auditoriums, all towards defining a possible typology: I Typology elements. A study of the origin of auditoriums, and of how the different parts of these buildings —the actual concert hall, the foyer, the open spaces— relate with the city and with nature, which is ever present in music and in the origin of auditoriums. II Five sequences. A chronological journey through the 20th century, in periods marked by the two world wars and the consequent crises, with case studies of four exceptional buildings: the Royal Festival Hall (1951), the Kresge Auditorium (1954), the Kulttuuritalo (1958), and the Berlin Philharmonie (1963). III Graphic chronology. A methodical sequence looking at a hundred auditoriums, with each entry presenting images of the concert hall and the building as a whole, and two drawings on the same scale. Each concert hall floor plan shows how the orchestra relates with the audience, and it is compared to the floor plans of the four case-study examples named above. We also see how the hall is set into the building. The second drawing is the longitudinal section of the hall. Ceiling shape much determines the character of concert hall spaces, while technical data like air volume and the amount of absorbent and reflecting materials used have a direct bearing on the reflection of sound and on the overall musical quality of the auditorium. IV Geometry of concert halls. Graphic analysis of the key elements of a music space: the ceiling and the floor plan. The section is a necessary tool for determining the reverberation time of a concert hall, and is closely linked to the shape of the floor plan. In concert halls, there is a strong connection between the ceiling, the walls, and the floor, as there is between different musical instruments. It also includes maps showing where these European and American buildings are located geographically as well as in time. V The auditorium in the city. This chapter presents a series of maps showing the location of auditoriums in the city. They are often located in squares and gardens, open public spaces that serve to emotionally prepare the listener for an imminent musical experience. Time has shown that concert halls have changed the urban landscape and city life. Conclusions As a building type, auditoriums —though «dissolved» by the Philips Pavilion in 1958— remain valid spaces for listening to music. As intimate and unique spaces for social gathering and musical creation, they have done their part in transforming cities. Acoustics play a key role in these technical interiors, but just as important is the rapport that is struck between the musicians and the audience, and between musical works of the past, present, and future. Auditoriums are urban buildings that have been very successful throughout history. They have enriched our cities with surprising shapes and volumes, introduced new interiors in architecture, and struck new relationships between people, the city, and nature. As such, they are necessary. Coda Finally, the epilogue presents the evolution of the music space, from the early simple music halls to the highly complex philharmonic halls of recent years. Architecture has produced spaces for the enjoyment of music that have been modified for new musical creations, while remaining useful for the historical repertoire. Sound, and thus music, has as complex a relationship with space as it does with time. The coda of this thesis is the Philips Pavilion of 1958, perhaps the last attempt to propose a new kind of architecture for music with the latest technology. Annexes The thesis includes a collection of site maps of European and American auditoriums, complete with completion dates and descriptions.