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.

Metodología para el análisis de los efectos de la rotura de un depósito en entorno urbano y clasificación de su riesgo potencial

El riesgo asociado a la rotura de un depósito de agua en entorno urbano (como la ocurrida, por ejemplo, en la Ciudad Autónoma de Melilla en Noviembre de 1997) y los potenciales daños que puede causar, pone en duda la seguridad de este tipo de infraestructuras que, por necesidades del servicio de abastecimiento de agua, se construyen habitualmente en puntos altos y cercanos a los núcleos de población a los que sirven. Sin embargo, la baja probabilidad de que se produzca una rotura suele rebajar los niveles de alerta asociados a los depósitos, haciéndose hincapié en la mejora de los métodos constructivos sin elaborar metodologías que, como en el caso de las presas y las balsas de riego, establezcan la necesidad de clasificar el riesgo potencial de estas infraestructuras en función de su emplazamiento y de estudiar la posible construcción de medidas mitigadoras de una posible rotura. Por otro lado, para establecer los daños que pueden derivarse de una rotura de este tipo, se hace imprescindible la modelización bidimensional de la ola de rotura por cuanto la malla urbana a la que afectaran no es susceptible de simulaciones unidimensionales, dado que no hay un cauce que ofrezca un camino preferente al agua. Este tipo de simulación requiere de una inversión económica que no siempre está disponible en la construcción de depósitos de pequeño y mediano tamaño. Esta tesis doctoral tiene como objetivo el diseño de una metodología simplificada que, por medio de graficas y atendiendo a las variables principales del fenómeno, pueda estimar un valor para el riesgo asociado a una posible rotura y sirva como guía para establecer si un deposito (existente o de nueva implantación) requiere de un modelo de detalle para estimar el riesgo y si es conveniente implantar alguna medida mitigadora de la energía producida en una rotura de este tipo. Con carácter previo se ha establecido que las variables que intervienen en la definición de riesgo asociado a la rotura, son el calado y la velocidad máxima en cada punto sensible de sufrir daños (daños asociados al vuelco y arrastre de personas principalmente), por lo que se ha procedido a estudiar las ecuaciones que rigen el problema de la rotura del depósito y de la transmisión de la onda de rotura por la malla urbana adyacente al mismo, así como los posibles métodos de resolución de las mismas y el desarrollo informático necesario para una primera aproximación a los resultados. Para poder analizar las condiciones de contorno que influyen en los valores resultantes de velocidad y calado, se ha diseñado una batería de escenarios simplificados que, tras una modelización en detalle y un análisis adimensional, han dado como resultado que las variables que influyen en los valores de calado y velocidad máximos en cada punto son: la altura de la lamina de agua del depósito, la pendiente del terreno, la rugosidad, la forma del terreno (en términos de concavidad) y la distancia del punto de estudio al deposito. Una vez definidas las variables que influyen en los resultados, se ha llevado a cabo una segunda batería de simulaciones de escenarios simplificados que ha servido para la discusión y desarrollo de las curvas que se presentan como producto principal de la metodología simplificada. Con esta metodología, que solamente necesita de unos cálculos simples para su empleo, se obtiene un primer valor de calado y velocidad introduciendo la altura de la lámina de agua máxima de servicio del depósito cuyo riesgo se quiere evaluar. Posteriormente, y utilizando el ábaco propuesto, se obtienen coeficientes correctores de los valores obtenidos para la rugosidad y pendiente media del terreno que se esta evaluando, así como para el grado de concavidad del mismo (a través de la pendiente transversal). Con los valores obtenidos con las curvas anteriores se obtienen los valores de calado y velocidad en el punto de estudio y, aplicando la formulación propuesta, se obtiene una estimación del riesgo asociado a la rotura de la infraestructura. Como corolario a la metodología mencionada, se propone una segunda serie de gráficos para evaluar, también de forma simplificada, la reducción del riesgo que se obtendría con la construcción de alguna medida mitigadora como puede ser un dique o murete perimetral al depósito. Este método de evaluación de posible medidas mitigadoras, aporta una guía para analizar la posibilidad de disminuir el riesgo con la construcción de estos elementos, o la necesidad de buscar otro emplazamiento que, si bien pueda ser no tan favorable desde el punto de vista de la explotación del depósito, presente un menor riesgo asociado a su rotura. Como complemento a la metodología simplificada propuesta, y además de llevar a cabo la calibración de la misma con los datos obtenidos tras la rotura del depósito de agua de Melilla, se ha realizado una serie de ejemplos de utilización de la metodología para, además de servir de guía de uso de la misma, poder analizar la diferencia entre los resultados que se obtendrían con una simulación bidimensional detallada de cada uno de los casos y el método simplificado aplicado a los mismos. The potential risk of a catastrophic collapse of a water supply reservoir in an urban area (such as the one occurred in Melilla in November 1997) and the damages that can cause, make question the security in this kind of infrastructures, which, by operational needs, are frequently built in high elevations and close to the urban areas they serve to. Since the likelihood of breakage is quite low, the alert levels associated to those infrastructures have also been downgraded focussing on the improvement of the constructive methods without developing methodologies (like the ones used in the case of dams or irrigation ponds) where there is a need of classifying the potential risk of those tanks and also of installing mitigating measures. Furthermore, to establish the damages related to a breakage of this kind, a twodimensional modelling of the breakage wave becomes imperative given that the urban layout does not provide a preferential way to the water. This kind of simulation requires financial investment that is not always available in the construction of small and medium sized water tanks. The purpose of this doctoral thesis is to design a simplified methodology, by means of charts and attending to the main variables of the phenomenon, that could estimate a value to the risk associated to a possible breakage. It can also be used as a guidance to establish if a reservoir (existing or a new one) requires a detailed model to estimate the risk of a breakage and the benefits of installing measures to mitigate the breakage wave effects. Previously, it has been established that the variables involved in the risk associated to a breakage are the draft and the maximum speed in every point susceptible to damages (mainly damages related to people). Bellow, the equations ruling the problem of the reservoir breakage have been studied as well as the transmission of the breakage wave through the urban network of the city and the possible methods to solve the equations and the computer development needed to a first approach to the results. In order to be able to analyse the boundary conditions affecting the values resulting (speed and draft), a set of scenarios have been designed. After a detailed modelling and a dimensionless analysis it has been proved that the variables that influence the operational draughts and the maximum speed in every point are the water level in the tank, the slope, the roughness and form (in terms of concavity) of the terrain and the distance between the tank and the control point. Having defined the involving variables, a second set of simulations of the simplified scenarios has been carried out and has helped to discuss and develop the curves that are here presented as the final product of the simplified methodology. This methodology only needs some simple calculations and gives a first value of draft and speed by introducing the maximum water level of the tank being evaluated. Subsequently, using the suggested charts, the method gives correction coefficients of the measured values for roughness and average slope of the assessed terrain as well as the degree of concavity (through transverse gradient).With the values from the previous curves (operational draughts and speed at the point of survey) and applying the proposed formulation, an estimation of the risk associated to the breakage of the infrastructure is finally obtained. As a corollary of the mentioned methodology, another set of diagrams is proposed in order to evaluate, in a simplified manner also, the risk reduction that could be gained with the construction of some mitigating measures such as dikes or retaining walls around the reservoir. This evaluating method provides a guide to analyse the possibility to reduce the risk, constructing those elements or even looking for a different site that could be worse in terms of exploitation of the tank but much safer. As a complement to the simplified methodology here proposed, and apart from completing its calibration with the obtained data after the reservoir breakage in Melilla, a number of examples of the use of the methodology have been made to be used as a user guide of the methodology itself, as well as giving the possibility of analysing the different results that can be obtained from a thorough two-dimensional simulation or from the simplified method applied to the examples.

Influencia de las restricciones medioambientales en el sector eléctrico

El objetivo de esta tesis es la caracterización de la generación térmica representativa de la existente en la realidad, para posteriormente proceder a su modelización y simulación integrándolas en una red eléctrica tipo y llevar a cabo estudios de optimización multiobjetivo económico medioambiental. Para ello, en primera instancia se analiza el contexto energético y eléctrico actual, y más concretamente el peninsular, en el que habiendo desaparecido las centrales de fuelóleo, sólo quedan ciclos combinados y centrales de carbón de distinto rango. Seguidamente se lleva a cabo un análisis de los principales impactos medioambientales de las centrales eléctricas basadas en combustión, representados sobre todo por sus emisiones de CO2, SO2 y NOx, de las medidas de control y mitigación de las mismas y de la normativa que les aplica. A continuación, a partir de las características de los combustibles y de la información de los consumos específicos, se caracterizan los grupos térmicos frente a las funciones relevantes que definen su comportamiento energético, económico y medioambiental, en términos de funciones de salida horarias dependiendo de la carga. Se tiene en cuenta la posibilidad de desnitrificación y desulfuración. Dado que las funciones objetivo son múltiples, y que están en conflicto unas con otras, se ha optado por usar métodos multiobjetivo que son capaces de identificar el contorno de puntos óptimos o frente de Pareto, en los que tomando una solución no existe otra que lo mejore en alguna de las funciones objetivo sin empeorarlo en otra. Se analizaron varios métodos de optimización multiobjetivo y se seleccionó el de las ε constraint, capaz de encontrar frentes no convexos y cuya optimalidad estricta se puede comprobar. Se integró una representación equilibrada de centrales de antracita, hulla nacional e importada, lignito y ciclos combinados en la red tipo IEEE-57, en la que se puede trabajar con siete centrales sin distorsionar demasiado las potencias nominales reales de los grupos, y se programó en Matlab la resolución de flujos óptimos de carga en alterna con el método multiobjetivo integrado. Se identifican los frentes de Pareto de las combinaciones de coste y cada uno de los tres tipos de emisión, y también el de los cuatro objetivos juntos, obteniendo los resultados de costes óptimos del sistema para todo el rango de emisiones. Se valora cuánto le cuesta al sistema reducir una tonelada adicional de cualquier tipo de emisión a base de desplazarse a combinaciones de generación más limpias. Los puntos encontrados aseguran que bajo unas determinadas emisiones no pueden ser mejorados económicamente, o que atendiendo a ese coste no se puede reducir más allá el sistema en lo relativo a emisiones. También se indica cómo usar los frentes de Pareto para trazar estrategias óptimas de producción ante cambios horarios de carga. ABSTRACT The aim of this thesis is the characterization of electrical generation based on combustion processes representative of the actual power plants, for the latter modelling and simulation of an electrical grid and the development of economic- environmental multiobjective optimization studies. In this line, the first step taken is the analysis of the current energetic and electrical framework, focused on the peninsular one, where the fuel power plants have been shut down, and the only ones remaining are coal units of different types and combined cycle. Then it is carried out an analysis of the main environmental impacts of the thermal power plants, represented basically by the emissions of CO2, SO2 y NOx, their control and reduction measures and the applicable regulations. Next, based on the combustibles properties and the information about the units heat rates, the different power plants are characterized in relation to the outstanding functions that define their energy, economic and environmental behaviour, in terms of hourly output functions depending on their load. Optional denitrification and desulfurization is considered. Given that there are multiple objectives, and that they go in conflictive directions, it has been decided the use of multiobjective techniques, that have the ability of identifying the optimal points set, which is called the Pareto front, where taken a solution there will be no other point that can beat the former in an objective without worsening it in another objective. Several multiobjective optimization methods were analysed and pondered, selecting the ε constraint technique, which is able to find no convex fronts and it is opened to be tested to prove the strict Pareto optimality of the obtained solutions. A balanced representation of the thermal power plants, formed by anthracite, lignite, bituminous national and imported coals and combined cycle, was integrated in the IEEE-57 network case. This system was selected because it deals with a total power that will admit seven units without distorting significantly the actual size of the power plants. Next, an AC optimal power flow with the multiobjective method implemented in the routines was programmed. The Pareto fronts of the combination of operative costs with each of the three emissions functions were found, and also the front of all of them together. The optimal production costs of the system for all the emissions range were obtained. It is also evaluated the cost of reducing an additional emission ton of any of the emissions when the optimal production mix is displaced towards cleaner points. The obtained solutions assure that under a determined level of emissions they cannot be improved economically or, in the other way, at a determined cost it cannot be found points of lesser emissions. The Pareto fronts are also applied for the search of optimal strategic paths to follow the hourly load changes.

Propuesta metodológica para el análisis y protección de la calidad del agua subterránea de acuerdo con los requerimientos de la Directiva Marco y la Directiva derivada de Aguas Subterráneas

La protección de las aguas subterráneas es una prioridad de la política medioambiental de la UE. Por ello ha establecido un marco de prevención y control de la contaminación, que incluye provisiones para evaluar el estado químico de las aguas y reducir la presencia de contaminantes en ellas. Las herramientas fundamentales para el desarrollo de dichas políticas son la Directiva Marco del Agua y la Directiva Hija de Aguas Subterráneas. Según ellas, las aguas se consideran en buen estado químico si: • la concentración medida o prevista de nitratos no supera los 50 mg/l y la de ingredientes activos de plaguicidas, de sus metabolitos y de los productos de reacción no supera el 0,1 μg/l (0,5 μg/l para el total de los plaguicidas medidos) • la concentración de determinadas sustancias de riesgo es inferior al valor umbral fijado por los Estados miembros; se trata, como mínimo, del amonio, arsénico, cadmio, cloruro, plomo, mercurio, sulfatos, tricloroetileno y tetracloroetileno • la concentración de cualquier otro contaminante se ajusta a la definición de buen estado químico enunciada en el anexo V de la Directiva marco sobre la política de aguas • en caso de superarse el valor correspondiente a una norma de calidad o a un valor umbral, una investigación confirma, entre otros puntos, la falta de riesgo significativo para el medio ambiente. Analizar el comportamiento estadístico de los datos procedentes de la red de seguimiento y control puede resultar considerablemente complejo, debido al sesgo positivo que suelen presentar dichos datos y a su distribución asimétrica, debido a la existencia de valores anómalos y diferentes tipos de suelos y mezclas de contaminantes. Además, la distribución de determinados componentes en el agua subterránea puede presentar concentraciones por debajo del límite de detección o no ser estacionaria debida a la existencia de tendencias lineales o estacionales. En el primer caso es necesario realizar estimaciones de esos valores desconocidos, mediante procedimientos que varían en función del porcentaje de valores por debajo del límite de detección y el número de límites de detección aplicables. En el segundo caso es necesario eliminar las tendencias de forma previa a la realización de contrastes de hipótesis sobre los residuos. Con esta tesis se ha pretendido establecer las bases estadísticas para el análisis riguroso de los datos de las redes de calidad con objeto de realizar la evaluación del estado químico de las masas de agua subterránea para la determinación de tendencias al aumento en la concentración de contaminantes y para la detección de empeoramientos significativos, tanto en los casos que se ha fijado un estándar de calidad por el organismo medioambiental competente como en aquéllos que no ha sido así. Para diseñar una metodología que permita contemplar la variedad de casos existentes, se han analizado los datos de la Red Oficial de Seguimiento y Control del Estado Químico de las Aguas Subterráneas del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente (Magrama). A continuación, y dado que los Planes Hidrológicos de Cuenca son la herramienta básica de las Directivas, se ha seleccionado la Cuenca del Júcar, dada su designación como cuenca piloto en la estrategia de implementación común (CIS) de la Comisión Europea. El objetivo principal de los grupos de trabajo creados para ello se dirigió a implementar la Directiva Derivada de Agua Subterráneas y los elementos de la Directiva Marco del Agua relacionadas, en especial la toma de datos en los puntos de control y la preparación del primer Plan de Gestión de Cuencas Hidrográficas. Dada la extensión de la zona y con objeto de analizar una masa de agua subterránea (definida como la unidad de gestión en las Directivas), se ha seleccionado una zona piloto (Plana de Vinaroz Peñiscola) en la que se han aplicado los procedimientos desarrollados con objeto de determinar el estado químico de dicha masa. Los datos examinados no contienen en general valores de concentración de contaminantes asociados a fuentes puntuales, por lo que para la realización del estudio se han seleccionado valores de concentración de los datos más comunes, es decir, nitratos y cloruros. La estrategia diseñada combina el análisis de tendencias con la elaboración de intervalos de confianza cuando existe un estándar de calidad e intervalos de predicción cuando no existe o se ha superado dicho estándar. De forma análoga se ha procedido en el caso de los valores por debajo del límite de detección, tomando los valores disponibles en la zona piloto de la Plana de Sagunto y simulando diferentes grados de censura con objeto de comparar los resultados obtenidos con los intervalos producidos de los datos reales y verificar de esta forma la eficacia del método. El resultado final es una metodología general que integra los casos existentes y permite definir el estado químico de una masa de agua subterránea, verificar la existencia de impactos significativos en la calidad del agua subterránea y evaluar la efectividad de los planes de medidas adoptados en el marco del Plan Hidrológico de Cuenca. ABSTRACT Groundwater protection is a priority of the EU environmental policy. As a result, it has established a framework for prevention and control of pollution, which includes provisions for assessing the chemical status of waters and reducing the presence of contaminants in it. The measures include: • criteria for assessing the chemical status of groundwater bodies • criteria for identifying significant upward trends and sustained concentrations of contaminants and define starting points for reversal of such trends • preventing and limiting indirect discharges of pollutants as a result of percolation through soil or subsoil. The basic tools for the development of such policies are the Water Framework Directive and Groundwater Daughter Directive. According to them, the groundwater bodies are considered in good status if: • measured or predicted concentration of nitrate does not exceed 50 mg / l and the active ingredients of pesticides, their metabolites and reaction products do not exceed 0.1 mg / l (0.5 mg / l for total of pesticides measured) • the concentration of certain hazardous substances is below the threshold set by the Member States concerned, at least, of ammonium, arsenic, cadmium, chloride, lead, mercury, sulphates, trichloroethylene and tetrachlorethylene • the concentration of other contaminants fits the definition of good chemical status set out in Annex V of the Framework Directive on water policy • If the value corresponding to a quality standard or a threshold value is exceeded, an investigation confirms, among other things, the lack of significant risk to the environment. Analyzing the statistical behaviour of the data from the monitoring networks may be considerably complex due to the positive bias which often presents such information and its asymmetrical distribution, due to the existence of outliers and different soil types and mixtures of pollutants. Furthermore, the distribution of certain components in groundwater may have concentrations below the detection limit or may not be stationary due to the existence of linear or seasonal trends. In the first case it is necessary to estimate these unknown values, through procedures that vary according to the percentage of values below the limit of detection and the number of applicable limits of detection. In the second case removing trends is needed before conducting hypothesis tests on residuals. This PhD thesis has intended to establish the statistical basis for the rigorous analysis of data quality networks in order to conduct the evaluation of the chemical status of groundwater bodies for determining upward and sustained trends in pollutant concentrations and for the detection of significant deterioration in cases in which an environmental standard has been set by the relevant environmental agency and those that have not. Aiming to design a comprehensive methodology to include the whole range of cases, data from the Groundwater Official Monitoring and Control Network of the Ministry of Agriculture, Food and Environment (Magrama) have been analysed. Then, since River Basin Management Plans are the basic tool of the Directives, the Júcar river Basin has been selected. The main reason is its designation as a pilot basin in the common implementation strategy (CIS) of the European Commission. The main objective of the ad hoc working groups is to implement the Daughter Ground Water Directive and elements of the Water Framework Directive related to groundwater, especially the data collection at control stations and the preparation of the first River Basin Management Plan. Given the size of the area and in order to analyze a groundwater body (defined as the management unit in the Directives), Plana de Vinaroz Peñíscola has been selected as pilot area. Procedures developed to determine the chemical status of that body have been then applied. The data examined do not generally contain pollutant concentration values associated with point sources, so for the study concentration values of the most common data, i.e., nitrates and chlorides have been selected. The designed strategy combines trend analysis with the development of confidence intervals when there is a standard of quality and prediction intervals when there is not or the standard has been exceeded. Similarly we have proceeded in the case of values below the detection limit, taking the available values in Plana de Sagunto pilot area and simulating different degrees of censoring in order to compare the results obtained with the intervals achieved from the actual data and verify in this way the effectiveness of the method. The end result is a general methodology that integrates existing cases to define the chemical status of a groundwater body, verify the existence of significant impacts on groundwater quality and evaluate the effectiveness of the action plans adopted in the framework of the River Basin Management Plan.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.