Effect of short-term fasting prior to slaughter on welfare and meat quality or rainbow trout (Oncorhynchus mykiss)

El manejo pre-sacrificio es de vital importancia en acuicultura, ya que afecta tanto a las reacciones fisiológicas como a los procesos bioquímicos post mortem, y por tanto al bienestar y a la calidad del producto. El ayuno pre-sacrificio se lleva a cabo de forma habitual en acuicultura, ya que permite el vaciado del aparato digestivo de restos de alimento y heces, reduciendo de esta manera la carga bacteriana en el intestino y la dispersión de enzimas digestivos y potenciales patógenos a la carne. Sin embargo, la duración óptima de este ayuno sin que el pez sufra un estrés innecesario no está clara. Además, se sabe muy poco sobre la mejor hora del día para realizar el sacrificio, lo que a su vez está regido por los ritmos diarios de los parámetros fisiológicos de estrés. Finalmente, se sabe que la temperatura del agua juega un papel muy importante en la fisiología del estrés pero no se ha determinado su efecto en combinación con el ayuno. Además, las actuales recomendaciones en relación a la duración óptima del ayuno previo al sacrificio en peces no suelen considerar la temperatura del agua y se basan únicamente en días y no en grados día (ºC d). Se determinó el efecto del ayuno previo al sacrificio (1, 2 y 3 días, equivalente a 11,1-68,0 grados día) y la hora de sacrificio (08h00, 14h00 y 20h00) en trucha arco iris (Oncorhynchus mykiss) de tamaño comercial en cuatro pruebas usando diferentes temperaturas de agua (Prueba 1: 11,8 ºC; Prueba 2: 19,2 ºC; Prueba 3: 11,1 ºC; y Prueba 4: 22,7 ºC). Se midieron indicadores biométricos, hematológicos, metabólicos y de calidad de la carne. En cada prueba, los valores de los animales ayunados (n=90) se compararon con 90 animales control mantenidos bajo condiciones similares pero nos ayunados. Los resultados sugieren que el ayuno tuvo un efecto significativo sobre los indicadores biométricos. El coeficiente de condición en los animales ayunados fue menor que en los controles después de 2 días de ayuno. El vaciado del aparato digestivo se produjo durante las primeras 24 h de ayuno, encontrándose pequeñas cantidades de alimento después de 48 h. Por otra parte, este vaciado fue más rápido cuando las temperaturas fueron más altas. El peso del hígado de los animales ayunados fue menor y las diferencias entre truchas ayunadas y controles fueron más evidentes a medida que el vaciado del aparato digestivo fue más rápido. El efecto del ayuno hasta 3 días en los indicadores hematológicos no fue significativo. Los niveles de cortisol en plasma resultaron ser altos tanto en truchas ayunadas como en las alimentadas en todas las pruebas realizadas. La concentración media de glucosa varió entre pruebas pero mostró una tendencia a disminuir en animales ayunados a medida que el ayuno progresaba. En cualquier caso, parece que la temperatura del agua jugó un papel muy importante, ya que se encontraron concentraciones más altas durante los días 2 y 3 de ayuno en animales mantenidos a temperaturas más bajas previamente al sacrificio. Los altos niveles de lactato obtenidos en sangre parecen sugerir episodios de intensa actividad muscular pero no se pudo encontrar relación con el ayuno. De la misma manera, el nivel de hematocrito no mostró efecto alguno del ayuno y los leucocitos tendieron a ser más altos cuando los animales estaban menos estresados y cuando su condición corporal fue mayor. Finalmente, la disminución del peso del hígado (índice hepatosomático) en la Prueba 3 no se vio acompañada de una reducción del glucógeno hepático, lo que sugiere que las truchas emplearon una estrategia diferente para mantener constantes los niveles de glucosa durante el periodo de ayuno en esa prueba. En relación a la hora de sacrificio, se obtuvieron niveles más bajos de cortisol a las 20h00, lo que indica que las truchas estaban menos estresadas y que el manejo pre-sacrificio podría resultar menos estresante por la noche. Los niveles de hematocrito fueron también más bajos a las 20h00 pero solo con temperaturas más bajas, sugiriendo que las altas temperaturas incrementan el metabolismo. Ni el ayuno ni la hora de sacrificio tuvieron un efecto significativo sobre la evolución de la calidad de la carne durante los 3 días de almacenamiento. Por el contrario, el tiempo de almacenamiento sí que parece tener un efecto claro sobre los parámetros de calidad del producto final. Los niveles más bajos de pH se alcanzaron a las 24-48 h post mortem, con una lata variabilidad entre duraciones del ayuno (1, 2 y 3 días) en animales sacrificados a las 20h00, aunque no se pudo distinguir ningún patrón común. Por otra parte, la mayor rigidez asociada al rigor mortis se produjo a las 24 h del sacrificio. La capacidad de retención de agua se mostró muy estable durante el período de almacenamiento y parece ser independiente de los cambios en el pH. El parámetro L* de color se incrementó a medida que avanzaba el período de almacenamiento de la carne, mientras que los valores a* y b* no variaron en gran medida. En conclusión, basándose en los resultados hematológicos, el sacrificio a última hora del día parece tener un efecto menos negativo en el bienestar. De manera general, nuestros resultados sugieren que la trucha arco iris puede soportar un período de ayuno previo al sacrificio de hasta 3 días o 68 ºC d sin que su bienestar se vea seriamente comprometido. Es probable que con temperaturas más bajas las truchas pudieran ser ayunadas durante más tiempo sin ningún efecto negativo sobre su bienestar. En cualquier caso, se necesitan más estudios para determinar la relación entre la temperatura del agua y la duración óptima del ayuno en términos de pérdida de peso vivo y la disminución de los niveles de glucosa en sangre y otros indicadores metabólicos. SUMMARY Pre-slaughter handling in fish is important because it affects both physiological reactions and post mortem biochemical processes, and thus welfare and product quality. Pre-slaughter fasting is regularly carried out in aquaculture, as it empties the viscera of food and faeces, thus reducing the intestinal bacteria load and the spread of gut enzymes and potential pathogens to the flesh. However, it is unclear how long rainbow trout can be fasted before suffering unnecessary stress. In addition, very little is known about the best time of the day to slaughter fish, which may in turn be dictated by diurnal rhythms in physiological stress parameters. Water temperature is also known to play a very important role in stress physiology in fish but the combined effect with fasting is unclear. Current recommendations regarding the optimal duration of pre-slaughter fasting do not normally consider water temperature and are only based on days, not degree days (ºC d). The effects of short-term fasting prior to slaughter (1, 2 and 3 days, between 11.1 and 68.0 ºC days) and hour of slaughter (08h00, 14h00 and 20h00) were determined in commercial-sized rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) over four trials at different water temperatures (TRIAL 1, 11.8 ºC; TRIAL 2, 19.2 ºC; TRIAL 3, 11.1 ºC; and TRIAL 4, 22.7 ºC). We measured biometric, haematological, metabolic and product quality indicators. In each trial, the values of fasted fish (n=90) were compared with 90 control fish kept under similar conditions but not fasted. Results show that fasting affected biometric indicators. The coefficient of condition in fasted trout was lower than controls 2 days after food deprivation. Gut emptying occurred within the first 24 h after the cessation of feeding, with small traces of digesta after 48 h. Gut emptying was faster at higher water temperatures. Liver weight decreased in food deprived fish and differences between fasted and fed trout were more evident when gut clearance was faster. The overall effect of fasting for up to three days on haematological indicators was small. Plasma cortisol levels were high in both fasted and fed fish in all trials. Plasma glucose response to fasting varied among trials, but it tended to be lower in fasted fish as the days of fasting increased. In any case, it seems that water temperature played a more important role, with higher concentrations at lower temperatures on days 2 and 3 after the cessation of feeding. Plasma lactate levels indicate moments of high muscular activity and were also high, but no variation related to fasting could be found. Haematocrit did not show any significant effect of fasting, but leucocytes tended to be higher when trout were less stressed and when their body condition was higher. Finally, the loss of liver weight was not accompanied by a decrease in liver glycogen (only measured in TRIAL 3), suggesting that a different strategy to maintain plasma glucose levels was used. Regarding the hour of slaughter, lower cortisol levels were found at 20h00, suggesting that trout were less stressed later in the day and that pre-slaughter handling may be less stressful at night. Haematocrit levels were also lower at 20h00 but only at lower temperatures, indicating that higher temperatures increase metabolism. Neither fasting nor the hour of slaughter had a significant effect on the evolution of meat quality during 3 days of storage. In contrast, storage time seemed to have a more important effect on meat quality parameters. The lowest pH was reached 24-48 h post mortem, with a higher variability among fasting durations at 20h00, although no clear pattern could be discerned. Maximum stiffening from rigor mortis occurred after 24 h. The water holding capacity was very stable throughout storage and seemed to be independent of pH changes. Meat lightness (L*) slightly increased during storage and a* and b*-values were relatively stable. In conclusion, based on the haematological results, slaughtering at night may have less of a negative effect on welfare than at other times of the day. Overall, our results suggest that rainbow trout can cope well with fasting up to three days or 68 ºC d prior to slaughter and that their welfare is therefore not seriously compromised. At low water temperatures, trout could probably be fasted for longer periods without negative effects on welfare but more research is needed to determine the relationship between water temperature and days of fasting in terms of loss of live weight and the decrease in plasma glucose and other metabolic indicators.

Análisis de la influencia de distintos diseños de paraguas de micropilotes, pantalla de micropilotes, paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting en los asientos en superficie durante la ejecución de túneles perforados superficialmente

Ya en el informe acerca del estado de la tecnología en la excavación profunda y en la construcción de túneles en terreno duro presentado en la 7ª Conferencia en Mecánica de Suelos e Ingeniería de la Cimentación, Peck (1969) introdujo los tres temas a ser tenidos en cuenta para el diseño de túneles en terrenos blandos: o Estabilidad de la cavidad durante la construcción, con particular atención a la estabilidad del frente del túnel; o Evaluación de los movimientos del terreno inducidos por la construcción del túnel y de la incidencia de los trabajos subterráneos a poca profundidad sobre los asentamientos en superficie; o Diseño del sistema de sostenimiento del túnel a instalar para asegurar la estabilidad de la estructura a corto y largo plazo. Esta Tesis se centra en los problemas señalados en el segundo de los puntos, analizando distintas soluciones habitualmente proyectadas para reducir los movimientos inducidos por la excavación de los túneles. El objeto de la Tesis es el análisis de la influencia de distintos diseños de paraguas de micropilotes, pantalla de micropilotes, paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting en los asientos en superficie durante la ejecución de túneles ejecutados a poca profundidad, con objeto de buscar el diseño que optimice los medios empleados para una determinada reducción de asientos. Para ello se establecen unas premisas para los proyectistas con objeto de conocer a priori cuales son los tratamientos más eficientes (de los propuestos en la Tesis) para la reducción de asientos en superficie cuando se ha de proyectar un túnel, de tal manera que pueda tener datos cualitativos y algunos cuantitativos sobre los diseños más óptimos, utilizando para ello un programa de elementos finitos de última generación que permite realizara la simulación tensodeformación del terreno mediante el modelo de suelo con endurecimiento (Hardening Soil Small model), que es una variante elastoplástica del modelo hiperbólico, similar al Hardening Soil Model. Además, este modelo incorpora una relación entre deformación y el modulo de rigidez, simulando el diferente comportamiento del suelo para pequeñas deformaciones (por ejemplo vibraciones con deformaciones por debajo de 10-5 y grandes deformaciones (deformaciones > 10-3). Para la realización de la Tesis se han elegido cinco secciones de túnel, dos correspondiente a secciones tipo de túnel ejecutado con tuneladora y tres secciones ejecutados mediante convencionales (dos correspondientes a secciones que han utilizado el método Belga y una que ha utilizado el NATM). Para conseguir los objetivos marcados, primeramente se ha analizado mediante una correlación entre modelos tridimensionales y bidimensionales el valor de relajación usado en estos últimos, y ver su variación al cambio de parámetros como la sección del túnel, la cobertera, el procedimiento constructivo, longitud de pase (métodos convencionales) o presión del frente (tuneladora) y las características geotécnicas de los materiales donde se ejecuta el túnel. Posteriormente se ha analizado que diseño de pantalla de protección tiene mejor eficacia respecto a la reducción de asientos, variando distintos parámetros de las características de la misma, como son el empotramiento, el tipo de micropilotes o pilote, la influencia del arriostramiento de las pantallas de protección en cabeza, la inclinación de la pantalla, la separación de la pantalla al eje del túnel y la disposición en doble fila de la pantalla de pantalla proyectada. Para finalizar el estudio de la efectividad de pantalla de protección para la reducción de asiento, se estudiará la influencia de la sobrecarga cercanas (simulación de edificios) tiene en la efectividad de la pantalla proyectada (desde el punto de vista de reducción de movimientos en superficie). Con objeto de poder comparar la efectividad de la pantalla de micropilotes respecto a la ejecución de un paraguas de micropilotes se ha analizado distintos diseños de paraguas, comparando el movimiento obtenido con el obtenido para el caso de pantalla de micropilotes, comparando ambos resultados con los medidos en obras ya ejecutadas. En otro apartado se ha realizado una comparación entre tratamientos similar, comparándolos en este caso con un paraguas de jet grouting y pantallas de jet grouting. Los resultados obtenidos se han con valores de asientos medidos en distintas obras ya ejecutadas y cuyas secciones se corresponden a los empleados en los modelos numéricos. Since the report on the state of technology in deep excavation and tunnelling in hard ground presented at the 7th Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Peck (1969) introduced the three issues to be taken into account for the design of tunnels in soft ground: o Cavity Stability during construction, with particular attention to the stability of the tunnel face; o Evaluation of ground movements induced by tunnelling and the effect of shallow underground workings on surface settlement; o Design of the tunnel support system to be installed to ensure short and long term stability of the structure. This thesis focuses on the issues identified in the second point, usually analysing different solutions designed to reduce the movements induced by tunnelling. The aim of the thesis is to analyse the influence of different micropile forepole umbrellas, micropile walls, jet grouting umbrellas and jet grouting wall designs on surface settlements during near surface tunnelling in order to use the most optimal technique to achieve a determined reduction in settlement. This will establish some criteria for designers to know a priori which methods are most effective (of those proposed in the thesis) to reduce surface settlements in tunnel design, so that it is possible to have qualitative and some quantitative data on the optimal designs, using the latest finite element modelling software that allows simulation of the ground’s infinitesimal strain behaviour using the Hardening Soil Small Model, which is a variation on the elasto-plastic hyperbolic model, similar to Hardening Soil model. In addition, this model incorporates a relationship between strain and the rigidity modulus, simulating different soil behaviour for small deformations (eg deformation vibrations below 10-5 and large deformations (deformations > 10-3). For the purpose of this thesis five tunnel sections have been chosen, two sections corresponding to TBM tunnels and three sections undertaken by conventional means (two sections corresponding to the Belgian method and one corresponding to the NATM). To achieve the objectives outlined, a correlation analysis of the relaxation values used in the 2D and 3D models was undertaken to verify them against parameters such as the tunnel cross-section, the depth of the tunnel, the construction method, the length of step (conventional method) or face pressure (TBM) and the geotechnical characteristics of the ground where the tunnel is constructed. Following this, the diaphragm wall design with the greatest efficiency regarding settlement reduction was analysed, varying parameters such as the toe depth, type of micropiles or piles, the influence of bracing of the head protection diaphragm walls, the inclination of the diaphragm wall, the separation between the diaphragm wall and the tunnel axis and the double diaphragm wall design arrangement. In order to complete the study into the effectiveness of protective diaphragm walls ofn the reduction of settlements, the influence of nearby imposed loads (simulating buildings) on the effectiveness of the designed diaphragm walls (from the point of view of reducing surface movements) will be studied. In order to compare the effectiveness of micropile diaphragm walls regarding the installation of micropile forepole umbrellas, different designs of these forepole umbrellas have been analysed comparing the movement obtained with that obtained for micropiled diaphragm walls, comparing both results with those measured from similar completed projects. In another section, a comparison between similar treatments has been completed, comparing the treatments with a forepole umbrella by jet grouting and jet grouting walls. The results obtained compared with settlement values measured in various projects already completed and whose sections correspond to those used in the numerical models.

Modelo numérico del comportamiento histerético de uniones entre forjados reticulares y pilares de fachada

Las estructuras de forjados reticulares sobre pilares aislados han sido ampliamente utilizadas en el sur de Europa para edificios de viviendas y oficinas entre los a?nos setenta y noventa del siglo pasado. Estas estructuras, proyectadas y construidas con códigos actualmente obsoletos, podrían tener un comportamiento deficiente en caso de terremoto y es necesario evaluar su vulnerabilidad y la necesidad de ser reacondicionadas sísmicamente. Este artículo propone un modelo sencillo de transmisión de esfuerzos en uniones existentes entre forjado reticular y soporte exterior, solicitadas en la dirección normal al plano de fachada. La propuesta tiene en cuenta particularidades de estos forjados tales como la concentración de armaduras orientadas con los nervios y la presencia sistemática de crucetas de punzonamiento. El modelo global consiste en elementos tipo barra para los soportes y tipo placa para el forjado, con uniones entre ambos mediante rótulas a flexión y a torsión. La resistencia de las rótulas a flexión se determina a partir de la estimación de la porción de armadura longitudinal del forjado que transmite directamente momentos al pilar por flexión. La deformación de plastificación de las rótulas se estima con expresiones simples. Como ductilidad de las rótulas a flexión se adopta el valor propuesto por la norma FEMA 356, mientras que para las rótulas a torsión se adopta ductilidad infinita, lo cual es consistente con resultados experimentales previos. Se muestra que la respuesta frente a desplazamientos laterales impuestos monótonamente crecientes obtenida con el modelo propuesto se ajusta adecuadamente a resultados experimentales obtenidos en estudios anteriores, en cuanto a rigidez, resistencia y ductilidad.

Estudio experimental del comportamiento de juntas entre hormigones "in situ" y prefabricados con distintos tratamientos en la unión

Las piezas compuestas, constituidas por una parte prefabricada y otra hormigonada in situ, comenzaron a ser investigadas hace más de 30 años, dado el interés que su utilización despertó, por tratarse de elementos semiindustrializados de gran campo de aplicación. Las investigaciones que han sido desarrolladas han abordado el estudio del comportamiento de uniones con armaduras de cosido atravesando las "interfaces" o superficies de contacto, siendo más escasas las investigaciones concernientes a piezas sin tal armadura. Estudios sobre las condiciones específicas de ejecución en lo referente a tratamiento de las superficies de contacto, estado de saturación de la unión, sistema de compactación, no se han abordado de forma sistemática en las investigaciones precedentes. Hoy en día se conocen con buena aproximación los mecanismos de transferencia del esfuerzo rasante en las piezas compuestas. También se han evaluado en investigaciones precedentes la aplicabilidad de los modelos de ensayo a los estudios de la influencia de determinadas variables que condicionan la resistencia a rasante en función de las características de las piezas, tanto tipológicas como de comportamiento. Por último son múltiples las normas y documentos técnicos de organizaciones especializadas que contemplan procedimientos para comprobar la resistencia de las uniones y establecer limites últimos o de servicio a las tensiones rasantes. En los momentos actuales algunos investigadores centran sus estudios en el establecimiento de modelos teóricos que permitan evaluar los comportamientos de las uniones, tras el ajuste de tales modelos con resultados experimentales. Han sido escasas las investigaciones sistemáticas de piezas con "interfaces" sin armadura de cosido que analicen los parámetros condicionados por la propia ejecución cuando tales tipos de pieza son ampliamente utilizadas en nuestro país en soluciones de forjado de edificación. Del análisis del comportamiento de tales "interfaces" pueden, por otra parte, obtenerse conclusiones aplicables para juzgar el comportamiento en servicio de piezas con "interfaces" armadas, en lo referente, al menos, a su deformabilidad. Por tales motivos se justifica el interés de la investigación experimental que nos propusimos desarrollar. Para la investigación experimental adoptamos un modelo de viga, y previamente confirmamos la idoneidad mediante ensayos piloto sobre la influencia de la disposición de la carga. Como variables básicas de la investigación adoptamos dos estados de saturación superficial, húmedo (H) y encharcado (E); dos sistemas de compactación, picado con barra (P) y vibración interna (V); por último adoptamos dos tratamientos de la unión, natural (N) y cepillada (C). Complementariamente seleccionamos dos nuevas variables de estado superficial de tratamiento de la "interface", peinada (P) y tampeada (T), así como un nuevo estado de humedad superficial desecando la superficie artificialmente (AD). Las variables seleccionadas configuraron 11 combinaciones que condujeron a la fabricación y ensayo de 22 vigas al adoptar dos ejemplares idénticos por grupo de variables. Los ensayos fueron realizados en el laboratorio del Instituto Técnico de Materiales y Construcciones, obteniéndose resultados sobre la resistencia rasante en agotamiento, los corrimientos relativos entre las dos partes de la pieza compuesta y las flechas alcanzadas en el centro del vano de viga, durante todo el proceso de carga. Previamente a la realización del ensayo, fueron muestreados y ensayados los materiales, tanto los constituyentes de los hormigones como los propios hormigones y aceros para armaduras. El hormigón empleado se situó, para la edad de ensayo, en la gama de resistencia entre 166 y 250 kp/cm, con valores medios de 203 kp/cm y característicos de 177 kp/cm. Complementariamente, y antes del hormigonado de la segunda fase, se procedió a medir la rugosidad específica de acuerdo con las recomendaciones FIP y norma SIS-812005. Durante el ensayo, asimismo, se registraron los esquemas de fisuración en cada escalón de carga, definiéndose por último los esquemas de rotura, que en todos los casos, correspondió al de agotamiento frente a esfuerzo rasante. Los resultados de ensayo han sido analizados para evaluar la influencia de los parámetros investigados tanto en el comportamiento frente a estados límites de servicio, fisuración y deformaciones, como frente a los estados límites últimos condicionados por la investigación que fueron los de rasante. Para juzgar los resultados de la resistencia a rasante, los valores del esfuerzo cortante último han sido transformados en tensiones rasantes adoptando un modelo teórico simple y homogeneizando los valores de tensiones, en función de la resistencia más baja de las dos partes de la pieza, a hormigones tipo de 200 kp/cm, procediendo a comparar las variables investigadas entre si por la relación de los valores medios registrados en ensayo. Para juzgar el comportamiento en servicio, se han comparado los esquemas de fisuración, así como la relación entre flechas obtenidas en ensayo y las flechas teóricas calculadas adoptando el modelo de inercia eficaz de Branson, evaluando en consecuencia la influencia de las diferentes variables. Por último, hemos analizado la influencia de la rugosidad en la resistencia frente a rasante, así como la influencia de las variables en el corrimiento relativo para definir que mecanismo de transferencia a rasante se moviliza, fundamentalmente en estas uniones sin armadura. Como conclusiones básicas de la investigación se establecen la nula dependencia de la resistencia a rasante con los procedimientos de compactación para la tipología de pieza ensayada, así como la nula influencia de la rugosidad ni la apreciable incidencia de los procesos de tratamiento de la unión, mediante peinado y tampeado con la técnica utilizada. Por el contrario, de la investigación se desprende un efecto positivo del cepillado de la unión frente al estado natural de hormigonado y subsiguiente compactación y negativo del encharcamiento frente a los estados de unión humedecida e incluso de "interface" artificialmente desecada. Queda confirmada, asimismo, la extraordinaria rigidez de la unión en todos los casos, así como la inapreciable influencia de los parámetros investigados en el comportamiento de las piezas ensayadas frente a las características que condicionan su deformabilidad y esquemas de fisuración.

Notas sobre el método de los elementos finitos

Ideas básicas: reducción del medio contínuo a discreto (elementos, nodos y funciones de forma); definición de un estado "elemental" relacionado con otro "general", mediante el formalismo "matriz de rigidez" y vectores consistentes; método de síntesis de propiedades generales: método directo de la rigidez. Posibilidades de estudio: derivación de la teoría, modelización de problemas reales con F.E.M., desarrollo de programas de ordenador, estudio de métodos numéricos (sistemas ecuacionales, autovalores, convergencia, integración etc.). Contrariamente a lo que se diga el F.E.M. no elimina la necesidad de profundizar en el estudio de la elasticidad, matemáticas, etc. Se trata tan sólo de un instrumento potentísimo que, en principio, permite abordar cualquier problema.

Flexibilidad discreta de mecanismos y estructuras

Cada vez con más frecuencia los procesos de diseño y fabricación de componentes mecánicos demandan herramientas de simulación que permitan el estudio dinámico de mecanismos con piezas deformables. Esto plantea dificultades numéricas debidas fundamentalmente al carácter no lineal de la dinámica de estos dispositivos; no linealidad fundamentalmente geométrica asociada a los grandes desplazamientos y/o grandes deformaciones. Existen en la literatura modelos de vigas no lineales capaces de resolver con precisión este tipo de problemas, aunque suelen ser computacionalmente costosos. Este trabajo pretende explorar la posibilidad de sustituir los elementos continuos deformables tipo viga por otros equivalentes formados por elementos rígidos interconectados con una flexibilidad discreta concentrada en los nodos. De esta manera, se pretende sustituir elementos que tienen una flexibilidad continua por otros equivalentes que la tienen discreta, concentrada en las articulaciones. Existen precedentes de estudios de discretización de vigas en barras rígidas unidas por muelles y resortes de flexión [3]. La novedad de este trabajo es que representa la rigidez a flexión y tracción mediante potenciales de penalización asociados a restricciones. Se estudiará una viga biapoyada sencilla en pequeñas deformaciones para establecer una equivalencia entre la viga continua y la viga discretizada con restricciones que representan la flexión. Para ello se obtendrá una relación entre la penalización a emplear y las características mecánicas de la viga y su discretización. El modelo resultante se implementará en un entorno de cálculo de C++, disponible en el grupo de investigación, para realizar diferentes cálculos que permitan evaluar los resultados.

Diseño preliminar térmico y estructural del instrumento NOMAD de ExoMars

El vehículo espacial ExoMarsOrbiter, llamado Exomars Trace Gas Orbiter (EMTGO), se encuadra en una misión de la ESA/NASA, contribuyendo a las ambiciones europeas de misiones de exploración futura, según lo establecido en la declaración Aurora. Los objetivos del programa ExoMars dan continuidad a los esfuerzos de cooperación con la NASA para enviar una misión de retorno de una muestra de Marte en las siguientes décadas. Están prevista s dos misiones dentro del programa ExoMars, una para 2016 y otra para 2018. NOMAD (solar occultation in the infra red and Nadir and Occultation for MArs Discovery) es un espectrómetro de alta resolución en el infrarrojo - visible - ultravioleta, observando en las franjas de 0.2 - 0.65 y 2.3 - 4.2 μm, para la inspección de la atmósfera de Marte. Dispone de tres canales (LNO, SO y UVIS) que operarán según tres modos distintos (ocultación solar, limbo y nadir). NOMAD es un instrumento con una masa de 29.9 kg que está montado sobre la bandeja superior exterior, en la cara fría del vehículo, y debe estar fuertemente desacoplado del mismo desde un punto de vista térmico (con una conductancia total máxima de 0.02 W/K). Este desacoplamiento dificulta el diseño estructural de la unión con el vehículo. El diseño térmico debe estar capacitado además para evacuar el calor disipado internamente y las cargas exteriores, utilizando únicamente métodos de control térmico pasivos. Un requisito térmico adicional es el que impone e l espectrómetro del canal LNO, que es una caja interior a NOMAD que debe ser enfriada a - 100º C. Con el objeto de cumplir estos requisitos, se disponen dos radiadores: un radiador ‘general’ para mantener al conjunto del instrumento a una temperatura semejante a la ambiente terrestre, y un radiador multietapa en “V” para enfriar la sección del LNO a - 100º C. Éste último consiste en 4 etapas con placas delgadas, que disponen de una combinación de regiones de alta emisividad y otras de alta reflectividad, para evacuar el calor entre etapas. Además, se ha de alcanzar un compromiso entre la rigidez del radiador y la masa del mismo para disminuir la masa del radiador, las placas delgadas deben ser rigidizadas estructuralmente. Tanto su diseño térmico como el estructural representan un reto tecnológico, debido a su escasa presencia en misiones anteriores. El modelo geométrico y los modelos matemáticos térmico s y estructural es se han construido siguiendo los estándares de la ESA. Esto es, la metodología utilizada ha sido la de efectuar primero un diseño conceptual preliminar, para posteriormente desarrollar un modelo térmico y otro estructural a nivel instrumento, con el software ESATAN y NASTRAN, ambos indicados por la ESA. Los resultados muestran la viabilidad de NOMAD desde un punto de vista térmico y estructural.

Método para el refuerzo a flexión de vigas de hormigón armado con barras de fibra de carbono en configuración NSM pretensadas

El refuerzo de elementos estructurales sometidos a flexión mediante la utilización de barras (FRP) pretensadas es una técnica novedosa. En el presente trabajo se describe una nueva técnica para efectuar dicho pretensado. Se describen además los resultados obtenidos en una campaña de ensayos con 9 vigas: 3 probetas sin refuerzo, 3 probetas con refuerzo pasivo y 3 probetas con refuerzo activo. Para conseguir una rotura a flexión las vigas fueron reforzadas a cortante con unos anillos de tejido de fibra de carbono. La rotura de las vigas testigo fue dúctil, y las vigas reforzadas rompieron a cortante de forma explosiva. El pretensado de los elementos de refuerzo permitió incrementar la capacidad resistente de las vigas un 170% respecto de la viga testigo, produciéndose además un aumento en la rigidez de los elementos reforzados y una disminución en la fisuración de la viga. Se detectaron deficiencias en la técnica de refuerzo empleada, derivadas principalmente del método de aplicación del adhesivo estructural, que se propone mejorar en próximos trabajos.

Caracterización mecánica de injertos de aorta ascendente de Dacron®

El presente trabajo fin de máster tiene como objetivo caracterizar los injertos de Dacron®, que se utilizan para reparar patologías de la aorta ascendente, para comparar el comportamiento mecánico con el que presenta la aorta ascendente. Se han realizado ensayos uniaxiales de tracción, de relajación y con una historia de cargas variable, tanto en probetas extraidas en la dirección circunferencial al tubo del injerto como en dirección longitudinal. Posteriormente, se han obtenido los parámetros necesarios para que los datos se ajusten a un modelo mecánico basado en el modelo de Maxwell generalizado. Por último, los datos obtenidos de los ensayos y los parámetros del modelo se han comparado con los ensayos y modelos de la aorta, obtenidos de la literatura.

Efectos dinámicos aleatorios en túneles

Se presenta un procedimiento para el estudio de los efectos dinámicos en revestimentos de túneles sometidos a terremotos. La interacción terreno-estructura se plantea en el dominio de la frecuencia mediante el uso de la F.F.T. y la definición de una matriz de rigidez dinámica del terreno. La solicitación es un conjunto de terremotos simulados en ordenador. Se plantea una solución aproximada mediante el uso de los modos de un sistema asociado.

Cálculo dinámico simplificado de muros de contención sometidos a empuje activo sísmico

En este trabajo se propone un método de cálculo dinámico para muros de gravedad en estado límite de equilibrio activo. El empuje sísmico se calcula mediante un método pseudo-dinámico que tiene en cuenta la naturaleza de la acción sísmica. El muro se introduce en las ecuaciones de equilibrio con masa, geometría e inercia a rotación. El terreno del cimiento se modela como un semiespacio de suelo homogéneo y se incluye en la formulación la rigidez de éste y la disipación de energía del sistema por radiación de ondas y por amortiguamiento material.

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Diseño y comportamiento de uniones estructurales mecánicas y adhesivas. Condiciones superficiales y operacionales

Las uniones estructurales mecánicas y adhesivas requieren la combinación de un número importante de parámetros para la obtención de la continuidad estructural que exigen las condiciones de diseño. Las características de las uniones presentan importantes variaciones, ligadas a las condiciones de ejecución, tanto en uniones mecánicas como especialmente en uniones adhesivas y mixtas (unión mecánica y adhesiva, también conocidas como uniones híbridas). Las propiedades mecánicas de las uniones adhesivas dependen de la naturaleza y propiedades de los adhesivos y también de muchos otros parámetros que influyen directamente en el comportamiento de estas uniones. Algunos de los parámetros más significativos son: el acabado superficial de los materiales, área y espesor de la capa adhesiva, diseño adecuado, secuencia de aplicación, propiedades químicas de la superficie y preparación de los sustratos antes de aplicar el adhesivo. Los mecanismos de adhesión son complejos. En general, cada unión adhesiva solo puede explicarse considerando la actuación conjunta de varios mecanismos de adhesión. No existen adhesivos universales para un determinado material o aplicación, por lo que cada pareja sustrato-adhesivo requiere un particular estudio y el comportamiento obtenido puede variar, significativamente, de uno a otro caso. El fallo de una junta adhesiva depende del mecanismo cohesión-adhesión, ligado a la secuencia y modo de ejecución de los parámetros operacionales utilizados en la unión. En aplicaciones estructurales existen un número muy elevado de sistemas de unión y de posibles sustratos. En este trabajo se han seleccionado cuatro adhesivos diferentes (cianoacrilato, epoxi, poliuretano y silano modificado) y dos procesos de unión mecánica (remachado y clinchado). Estas uniones se han aplicado sobre chapas de acero al carbono en diferentes estados superficiales (chapa blanca, galvanizada y prepintada). Los parámetros operacionales analizados han sido: preparación superficial, espesor del adhesivo, secuencia de aplicación y aplicación de presión durante el curado. Se han analizado tanto las uniones individuales como las uniones híbridas (unión adhesiva y unión mecánica). La combinación de procesos de unión, sustratos y parámetros operacionales ha dado lugar a la preparación y ensayo de más de mil muestras. Pues, debido a la dispersión de resultados característica de las uniones adhesivas, para cada condición analizada se han ensayado seis probetas. Los resultados obtenidos han sido: El espesor de adhesivo utilizado es una variable muy importante en los adhesivos flexibles, donde cuanto menor es el espesor del adhesivo mayor es la resistencia mecánica a cortadura de la unión. Sin embargo en los adhesivos rígidos su influencia es mucho menor. La naturaleza de la superficie es fundamental para una buena adherencia del adhesivo al substrato, que repercute en la resistencia mecánica de la unión. La superficie que mejor adherencia presenta es la prepintada, especialmente cuando existe una alta compatibilidad entre la pintura y el adhesivo. La superficie que peor adherencia tiene es la galvanizada. La secuencia de aplicación ha sido un parámetro significativo en las uniones híbridas, donde los mejores resultados se han obtenido cuando se aplicaba primero el adhesivo y la unión mecánica se realizaba antes del curado del adhesivo. La aplicación de presión durante el curado se ha mostrado un parámetro significativo en los adhesivos con poca capacidad para el relleno de la junta. En los otros casos su influencia ha sido poco relevante. El comportamiento de las uniones estructurales mecánicas y adhesivas en cuanto a la resistencia mecánica de la unión puede variar mucho en función del diseño de dicha unión. La resistencia mecánica puede ser tan grande que falle antes el substrato que la unión. Las mejores resistencias se consiguen diseñando las uniones con adhesivo cianoacrilato, eligiendo adecuadamente las condiciones superficiales y operacionales, por ejemplo chapa blanca aplicando una presión durante el curado de la unión. La utilización de uniones mixtas aumenta muy poco o nada la resistencia mecánica, pero a cambio proporciona una baja dispersión de resultados, siendo destacable para la superficie galvanizada, que es la que presenta peor reproducibilidad cuando se realizan uniones sólo con adhesivo. Las uniones mixtas conducen a un aumento de la deformación antes de la rotura. Los adhesivos dan rotura frágil y las uniones mecánicas rotura dúctil. La unión mixta proporciona ductilidad a la unión. Las uniones mixtas también pueden dar rotura frágil, esto sucede cuando la resistencia del adhesivo es tres veces superior a la resistencia de la unión mecánica. Las uniones híbridas mejoran la rigidez de la junta, sobre todo se aprecia un aumento importante en las uniones mixtas realizadas con adhesivos flexibles, pudiendo decirse que para todos los adhesivos la rigidez de la unión híbrida es superior. ABSTRACT The mechanical and adhesive structural joints require the combination of a large number of parameters to obtain the structural continuity required for the design conditions. The characteristics of the junctions have important variations, linked to performance conditions, in mechanical joints as particular in mixed adhesive joints (mechanical and adhesive joints, also known as hybrid joints). The mechanical properties of the adhesive joints depend of the nature and properties of adhesives and also of many other parameters that directly influence in the behavior of these joints. Some of the most significant parameters are: the surface finished of the material, area and thickness of the adhesive layer, suitable design, and application sequence, chemical properties of the surface and preparation of the substrate before applying the adhesive. Adhesion mechanisms are complex. In general, each adhesive joint can only be explained by considering the combined action of several adhesions mechanisms. There aren’t universal adhesives for a given material or application, so that each pair substrate-adhesive requires a particular study and the behavior obtained can vary significantly from one to another case. The failure of an adhesive joint depends on the cohesion-adhesion mechanism, linked to the sequence and manner of execution of the operational parameters used in the joint. In the structural applications, there are a very high number of joining systems and possible substrates. In this work we have selected four different adhesives (cyanoacrylate, epoxy, polyurethane and silano modified) and two mechanical joining processes (riveting and clinching). These joints were applied on carbon steel with different types of surfaces (white sheet, galvanized and pre-painted). The operational parameters analyzed were: surface preparation, thickness of adhesive, application sequence and application of pressure during curing. We have analyzed individual joints both as hybrid joints (adhesive joint and mechanical joint). The combination of joining processes, substrates and operational parameters has resulted in the preparation and testing of over a thousand specimens. Then, due to the spread of results characteristic of adhesive joints, for each condition analyzed we have tested six samples. The results have been: The thickness of adhesive used is an important variable in the flexible adhesives, where the lower the adhesive thickness greater the shear strength of the joint. However in rigid adhesives is lower influence. The nature of the surface is essential for good adherence of the adhesive to the substrate, which affects the shear strength of the joint. The surface has better adherence is preprinted, especially when there is a high compatibility between the paint and the adhesive. The surface which has poor adherence is the galvanized. The sequence of application has been a significant parameter in the hybrid junctions, where the best results are obtained when applying first the adhesive and the mechanical joint is performed before cured of the adhesive. The application of pressure during curing has shown a significant parameter in the adhesives with little capacity for filler the joint. In other cases their influence has been less relevant. The behavior of structural mechanical and adhesive joints in the shear strength of the joint can vary greatly depending on the design of such a joint. The shear strength may be so large that the substrate fails before the joint. The best shear strengths are achieved by designing the junctions with cyanoacrylate adhesive, by selecting appropriately the surface and operating conditions, for example by white sheet applying a pressure during curing of the joint. The use of hybrid joints no increase shear strength, but instead provides a low dispersion of results, being remarkable for the galvanized surface, which is the having worst reproducibility when performed bonded joints. The hybrid joints leading to increased deformation before rupture. The joints witch adhesives give brittle fracture and the mechanics joints give ductile fracture. Hybrid joint provides ductility at the joint. Hybrid joint can also give brittle fracture, this happens when the shear strength of the adhesive is three times the shear strength of the mechanical joint. The hybrid joints improve stiffness of joint, especially seen a significant increase in hybrid joints bonding with flexible adhesives, can be said that for all the adhesives, the hybrid junction stiffness is higher.

Elementos de contorno adaptables

Como es bien sabido, en el método de los elementos finitos se suele hablar de dos tipos de convergencia. La primera, o convergencia h, se refiere a la mejora del resultado que se obtiene refinando la malla. Debido a la correspondencia elemento-variables nodales-funciones de interpolación, ello implica un ajuste progresivo de los resultados en aquellas zonas donde se produce el refinamiento. Se trata del método más usado cuando, de forma pragmática, se desea tener una idea de la convergencia de los resultados. Su principal inconveniente radica en el hecho que cada refinamiento exige el cálculo de matrices de rigidez diferentes de las anteriores, de modo que la información debe ser rehecha en cada caso y, por tanto, los costes son elevados. El segundo método analiza la convergencia p, o refinamiento de la aproximación mediante el incremento del grado del polinomio definido sobre cada elemento. Se trata de abandonar la idea de asociar a cada nodo el valor físico de la variable correspondiente en la aproximación típica: u ~ a1Ø1 + a2Ø2 + a3Ø3+ … + anØn; donde las funciones Ø son unidad en el nodo correspondiente y cero en el resto. Por el contrario, se vuelve a la idea original de Ritz, semejante al de un desarrollo en la serie de Fourier, donde las funciones Ø están definidas globalmente y los coeficientes de ponderación no tienen por qué presentar un significado físico concreto. Evidentemente la vuelta no es total; se siguen manteniendo elementos y dentro de cada uno de ellos se establece una jerarquía de funciones Øi. Con esta situación intermedia entre la globalidad absoluta de Ritz y la correspondencia absoluta de la discretización con las variables se consigue, por un lado, mantener una versatilidad suficiente para el ajuste por trozos y, por otro, refinar la aproximación de forma inteligente ya que, al igual que sucede en una serie de Fourier, cada término que se añade produce un efecto menor, lo que posibilita el truncamiento cuando se alcanza un determinado nivel de precisión. Además, puesto que cada Ø tiene un soporte perfectamente definido desde un principio, cada etapa del refinamiento aprovecha todos los cálculos anteriores y sólo se necesita evaluar los nuevos términos de la matriz de rigidez. La primera idea fue propuesta por Zienckiewicz et al.(1970), y posteriormente han desarrollado el método Szabo et al.(1978), Babuska (1975,1978), Peano (1978)etc. El proceso operativo incluye así: a)Establecimiento de una malla amplia sobre el dominio a analizar; b)Definición de una jerarquía de funciones de interpolación dentro de cada elemento; c)Establecimiento de un "indicador" de las zonas que precisen la adición de nuevas funciones jerarquizadas; d)Establecimiento de un "estimador a posteriori" que evalúe el error cometido y precise el momento en que pueda ser detenido el proceso. Un método que sigue los pasos anteriores se denomina autoadaptable y, como se puede comprender, resulta interesantísimo para problemas no triviales. En este artículo, se contempla la posibilidad de extender las ideas anteriores al método de los elementos de contorno.

Development of a Uniform Theory of Diffraction for Scattered and Surface Electromagnetic Field Analysis on a Cylinder

Con esta tesis ”Desarrollo de una Teoría Uniforme de la Difracción para el Análisis de los Campos Electromagnéticos Dispersados y Superficiales sobre un Cilindro” hemos iniciado una nueva línea de investigación que trata de responder a la siguiente pregunta: ¿cuál es la impedancia de superficie que describe una estructura de conductor eléctrico perfecto (PEC) convexa recubierta por un material no conductor? Este tipo de estudios tienen interés hoy en día porque ayudan a predecir el campo electromagnético incidente, radiado o que se propaga sobre estructuras metálicas y localmente convexas que se encuentran recubiertas de algún material dieléctrico, o sobre estructuras metálicas con pérdidas, como por ejemplo se necesita en determinadas aplicaciones aeroespaciales, marítimas o automovilísticas. Además, desde un punto de vista teórico, la caracterización de la impedancia de superficie de una estructura PEC recubierta o no por un dieléctrico es una generalización de varias soluciones que tratan ambos tipos de problemas por separado. En esta tesis se desarrolla una teoría uniforme de la difracción (UTD) para analizar el problema canónico del campo electromagnético dispersado y superficial en un cilindro circular eléctricamente grande con una condición de contorno de impedancia (IBC) para frecuencias altas. Construir una solución basada en UTD para este problema canónico es crucial en el desarrollo de un método UTD para el caso más general de una superficie arbitrariamente convexa, mediante el uso del principio de localización de los campos electromagnéticos a altas frecuencias. Esta tesis doctoral se ha llevado a cabo a través de una serie de hitos que se enumeran a continuación, enfatizando las contribuciones a las que ha dado lugar. Inicialmente se realiza una revisión en profundidad del estado del arte de los métodos asintóticos con numerosas referencias. As í, cualquier lector novel puede llegar a conocer la historia de la óptica geométrica (GO) y la teoría geométrica de la difracción (GTD), que dieron lugar al desarrollo de la UTD. Después, se investiga ampliamente la UTD y los trabajos más importantes que pueden encontrarse en la literatura. As í, este capítulo, nos coloca en la posición de afirmar que, hasta donde nosotros conocemos, nadie ha intentado antes llevar a cabo una investigación rigurosa sobre la caracterización de la impedancia de superficie de una estructura PEC recubierta por un material dieléctrico, utilizando para ello la UTD. Primero, se desarrolla una UTD para el problema canónico de la dispersión electromagnética de un cilindro circular eléctricamente grande con una IBC uniforme, cuando es iluminado por una onda plana con incidencia oblicua a frecuencias altas. La solución a este problema canónico se construye a partir de una solución exacta mediante una expansión de autofunciones de propagación radial. Entonces, ésta se convierte en una nueva expansión de autofunciones de propagación circunferencial muy apropiada para cilindros grandes, a través de la transformación de Watson. De esta forma, la expresión del campo se reduce a una integral que se evalúa asintóticamente, para altas frecuencias, de manera uniforme. El resultado se expresa según el trazado de rayos descrito en la UTD. La solución es uniforme porque tiene la importante propiedad de mantenerse continua a lo largo de la región de transición, a ambos lados de la superficie del contorno de sombra. Fuera de la región de transición la solución se reduce al campo incidente y reflejado puramente ópticos en la región iluminada del cilindro, y al campo superficial difractado en la región de sombra. Debido a la IBC el campo dispersado contiene una componente contrapolar a causa de un acoplamiento entre las ondas TEz y TMz (donde z es el eje del cilindro). Esta componente contrapolar desaparece cuando la incidencia es normal al cilindro, y también en la región iluminada cuando la incidencia es oblicua donde el campo se reduce a la solución de GO. La solución UTD presenta una muy buena exactitud cuando se compara numéricamente con una solución de referencia exacta. A continuación, se desarrolla una IBC efectiva para el cálculo del campo electromagnético dispersado en un cilindro circular PEC recubierto por un dieléctrico e iluminado por una onda plana incidiendo oblicuamente. Para ello se derivan dos impedancias de superficie en relación directa con las ondas creeping y de superficie TM y TE que se excitan en un cilindro recubierto por un material no conductor. Las impedancias de superficie TM y TE están acopladas cuando la incidencia es oblicua, y dependen de la geometría del problema y de los números de onda. Además, se ha derivado una impedancia de superficie constante, aunque con diferente valor cuando el observador se encuentra en la zona iluminada o en la zona de sombra. Después, se presenta una solución UTD para el cálculo de la dispersión de una onda plana con incidencia oblicua sobre un cilindro eléctricamente grande y convexo, mediante la generalización del problema canónico correspondiente al cilindro circular. La solución asintótica es uniforme porque se mantiene continua a lo largo de la región de transición, en las inmediaciones del contorno de sombra, y se reduce a la solución de rayos ópticos en la zona iluminada y a la contribución de las ondas de superficie dentro de la zona de sombra, lejos de la región de transición. Cuando se usa cualquier material no conductor se excita una componente contrapolar que tiende a desaparecer cuando la incidencia es normal al cilindro y en la región iluminada. Se discuten ampliamente las limitaciones de las fórmulas para la impedancia de superficie efectiva, y se compara la solución UTD con otras soluciones de referencia, donde se observa una muy buena concordancia. Y en tercer lugar, se presenta una aproximación para una impedancia de superficie efectiva para el cálculo de los campos superficiales en un cilindro circular conductor recubierto por un dieléctrico. Se discuten las principales diferencias que existen entre un cilindro PEC recubierto por un dieléctrico desde un punto de vista riguroso y un cilindro con una IBC. Mientras para un cilindro de impedancia se considera una impedancia de superficie constante o uniforme, para un cilindro conductor recubierto por un dieléctrico se derivan dos impedancias de superficie. Estas impedancias de superficie están asociadas a los modos de ondas creeping TM y TE excitadas en un cilindro, y dependen de la posición y de la orientación del observador y de la fuente. Con esto en mente, se deriva una solución UTD con IBC para los campos superficiales teniendo en cuenta las dependencias de la impedancia de superficie. La expansión asintótica se realiza, mediante la transformación de Watson, sobre la representación en serie de las funciones de Green correspondientes, evitando as í calcular las derivadas de orden superior de las integrales de tipo Fock, y dando lugar a una solución rápida y precisa. En los ejemplos numéricos realizados se observa una muy buena precisión cuando el cilindro y la separación entre el observador y la fuente son grandes. Esta solución, junto con el método de los momentos (MoM), se puede aplicar para el cálculo eficiente del acoplamiento mutuo de grandes arrays conformados de antenas de parches. Los métodos propuestos basados en UTD para el cálculo del campo electromagnético dispersado y superficial sobre un cilindro PEC recubierto de dieléctrico con una IBC efectiva suponen un primer paso hacia la generalización de una solución UTD para superficies metálicas convexas arbitrarias cubiertas por un material no conductor e iluminadas por una fuente electromagnética arbitraria. ABSTRACT With this thesis ”Development of a Uniform Theory of Diffraction for Scattered and Surface Electromagnetic Field Analysis on a Cylinder” we have initiated a line of investigation whose goal is to answer the following question: what is the surface impedance which describes a perfect electric conductor (PEC) convex structure covered by a material coating? These studies are of current and future interest for predicting the electromagnetic (EM) fields incident, radiating or propagating on locally smooth convex parts of highly metallic structures with a material coating, or by a lossy metallic surfaces, as for example in aerospace, maritime and automotive applications. Moreover, from a theoretical point of view, the surface impedance characterization of PEC surfaces with or without a material coating represents a generalization of independent solutions for both type of problems. A uniform geometrical theory of diffraction (UTD) is developed in this thesis for analyzing the canonical problem of EM scattered and surface field by an electrically large circular cylinder with an impedance boundary condition (IBC) in the high frequency regime, by means of a surface impedance characterization. The construction of a UTD solution for this canonical problem is crucial for the development of the corresponding UTD solution for the more general case of an arbitrary smooth convex surface, via the principle of the localization of high frequency EM fields. The development of the present doctoral thesis has been carried out through a series of landmarks that are enumerated as follows, emphasizing the main contributions that this work has given rise to. Initially, a profound revision is made in the state of art of asymptotic methods where numerous references are given. Thus, any reader may know the history of geometrical optics (GO) and geometrical theory of diffraction (GTD), which led to the development of UTD. Then, the UTD is deeply investigated and the main studies which are found in the literature are shown. This chapter situates us in the position to state that, as far as we know, nobody has attempted before to perform a rigorous research about the surface impedance characterization for material-coated PEC convex structures via UTD. First, a UTD solution is developed for the canonical problem of the EM scattering by an electrically large circular cylinder with a uniform IBC, when it is illuminated by an obliquely incident high frequency plane wave. A solution to this canonical problem is first constructed in terms of an exact formulation involving a radially propagating eigenfunction expansion. The latter is converted into a circumferentially propagating eigenfunction expansion suited for large cylinders, via the Watson transformation, which is expressed as an integral that is subsequently evaluated asymptotically, for high frequencies, in a uniform manner. The resulting solution is then expressed in the desired UTD ray form. This solution is uniform in the sense that it has the important property that it remains continuous across the transition region on either side of the surface shadow boundary. Outside the shadow boundary transition region it recovers the purely ray optical incident and reflected ray fields on the deep lit side of the shadow boundary and to the modal surface diffracted ray fields on the deep shadow side. The scattered field is seen to have a cross-polarized component due to the coupling between the TEz and TMz waves (where z is the cylinder axis) resulting from the IBC. Such cross-polarization vanishes for normal incidence on the cylinder, and also in the deep lit region for oblique incidence where it properly reduces to the GO or ray optical solution. This UTD solution is shown to be very accurate by a numerical comparison with an exact reference solution. Then, an effective IBC is developed for the EM scattered field on a coated PEC circular cylinder illuminated by an obliquely incident plane wave. Two surface impedances are derived in a direct relation with the TM and TE surface and creeping wave modes excited on a coated cylinder. The TM and TE surface impedances are coupled at oblique incidence, and depend on the geometry of the problem and the wave numbers. Nevertheless, a constant surface impedance is found, although with a different value when the observation point lays in the lit or in the shadow region. Then, a UTD solution for the scattering of an obliquely incident plane wave on an electrically large smooth convex coated PEC cylinder is introduced, via a generalization of the canonical circular cylinder problem. The asymptotic solution is uniform because it remains continuous across the transition region, in the vicinity of the shadow boundary, and it recovers the ray optical solution in the deep lit region and the creeping wave formulation within the deep shadow region. When a coating is present a cross-polar field term is excited, which vanishes at normal incidence and in the deep lit region. The limitations of the effective surface impedance formulas are discussed, and the UTD solution is compared with some reference solutions where a very good agreement is met. And in third place, an effective surface impedance approach is introduced for determining surface fields on an electrically large coated metallic circular cylinder. Differences in analysis of rigorouslytreated coated metallic cylinders and cylinders with an IBC are discussed. While for the impedance cylinder case a single constant or uniform surface impedance is considered, for the coated metallic cylinder case two surface impedances are derived. These are associated with the TM and TE creeping wave modes excited on a cylinder and depend on observation and source positions and orientations. With this in mind, a UTD based method with IBC is derived for the surface fields by taking into account the surface impedance variation. The asymptotic expansion is performed, via the Watson transformation, over the appropriate series representation of the Green’s functions, thus avoiding higher-order derivatives of Fock-type integrals, and yielding a fast and an accurate solution. Numerical examples reveal a very good accuracy for large cylinders when the separation between the observation and the source point is large. Thus, this solution could be efficiently applied in mutual coupling analysis, along with the method of moments (MoM), of large conformal microstrip array antennas. The proposed UTD methods for scattered and surface EM field analysis on a coated PEC cylinder with an effective IBC are considered the first steps toward the generalization of a UTD solution for large arbitrarily convex smooth metallic surfaces covered by a material coating and illuminated by an arbitrary EM source.