Teoría urbana: estados del arte

Presentación del número especial sobre teoría urbana de la revista Urban.

Estimación del riesgo sísmico en puerto príncipe (Haití)

Tras el devastador terremoto del 12 de enero de 2010 en Puerto Príncipe, Haití, las autoridades locales, numerosas ONGs y organismos nacionales e internacionales están trabajando en el desarrollo de estrategias para minimizar el elevado riesgo sísmico existente en el país. Para ello es necesario, en primer lugar, estimar dicho riesgo asociado a eventuales terremotos futuros que puedan producirse, evaluando el grado de pérdidas que podrían generar, para dimensionar la catástrofe y actuar en consecuencia, tanto en lo referente a medidas preventivas como a adopción de planes de emergencia. En ese sentido, este Trabajo Fin de Master aporta un análisis detallado del riesgo sísmico asociado a un futuro terremoto que podría producirse con probabilidad razonable, causando importantes daños en Puerto Príncipe. Se propone para ello una metodología de cálculo del riesgo adaptada a los condicionantes de la zona, con modelos calibrados empleando datos del sismo de 2010. Se ha desarrollado en el marco del proyecto de cooperación Sismo-Haití, financiado por la Universidad Politécnica de Madrid, que comenzó diez meses después del terremoto de 2010 como respuesta a una petición de ayuda del gobierno haitiano. El cálculo del riesgo requiere la consideración de dos inputs: la amenaza sísmica o movimiento esperado por el escenario definido (sismo de cierta magnitud y localización) y los elementos expuestos a esta amenaza (una clasificación del parque inmobiliario en diferentes tipologías constructivas, así como su vulnerabilidad). La vulnerabilidad de estas tipologías se describe por medio de funciones de daño: espectros de capacidad, que representan su comportamiento ante las fuerzas horizontales motivadas por los sismos, y curvas de fragilidad, que representan la probabilidad de que las estructuras sufran daños al alcanzar el máximo desplazamiento horizontal entre plantas debido a la mencionada fuerza horizontal. La metodología que se propone especifica determinadas pautas y criterios para estimar el movimiento, asignar la vulnerabilidad y evaluar el daño, cubriendo los tres estados del proceso. Por una parte, se consideran diferentes modelos de movimiento fuerte incluyendo el efecto local, y se identifican los que mejor ajustan a las observaciones de 2010. Por otra se clasifica el parque inmobiliario en diferentes tipologías constructivas, en base a la información extraída en una campaña de campo y utilizando además una base de datos aportada por el Ministerio de Obras Públicas de Haití. Ésta contiene información relevante de todos los edificios de la ciudad, resultando un total de 6 tipologías. Finalmente, para la estimación del daño se aplica el método capacidad-demanda implementado en el programa SELENA (Molina et al., 2010). En primer lugar, utilizado los datos de daño del terremoto de 2010, se ha calibrado el modelo propuesto de cálculo de riesgo sísmico: cuatro modelos de movimiento fuerte, tres modelos de tipo de suelo y un conjunto de funciones de daño. Finalmente, con el modelo calibrado, se ha simulado un escenario sísmico determinista correspondiente a un posible terremoto con epicentro próximo a Puerto Príncipe. Los resultados muestran que los daños estructurales serán considerables y podrán llevar a pérdidas económicas y humanas que causen un gran impacto en el país, lo que pone de manifiesto la alta vulnerabilidad estructural existente. Este resultado será facilitado a las autoridades locales, constituyendo una base sólida para toma de decisiones y adopción de políticas de prevención y mitigación del riesgo. Se recomienda dirigir esfuerzos hacia la reducción de la vulnerabilidad estructural - mediante refuerzo de edificios vulnerables y adopción de una normativa sismorresistente- y hacia el desarrollo de planes de emergencia. Abstract After the devastating 12 January 2010 earthquake that hit the city of Port-au-Prince, Haiti, strategies to minimize the high seismic risk are being developed by local authorities, NGOs, and national and international institutions. Two important tasks to reach this objective are, on the one hand, the evaluation of the seismic risk associated to possible future earthquakes in order to know the dimensions of the catastrophe; on the other hand, the design of preventive measures and emergency plans to minimize the consequences of such events. In this sense, this Master Thesis provides a detailed estimation of the damage that a possible future earthquake will cause in Port-au-Prince. A methodology to calculate the seismic risk is proposed, adapted to the study area conditions. This methodology has been calibrated using data from the 2010 earthquake. It has been conducted in the frame of the Sismo-Haiti cooperative project, supported by the Technical University of Madrid, which started ten months after the 2010 earthquake as an answer to an aid call of the Haitian government. The seismic risk calculation requires two inputs: the seismic hazard (expected ground motion due to a scenario earthquake given by magnitude and location) and the elements exposed to the hazard (classification of the building stock into building typologies, as well as their vulnerability). This vulnerability is described through the damage functions: capacity curves, which represent the structure performance against the horizontal forces caused by the seisms; and fragility curves, which represent the probability of damage as the structure reaches the maximum spectral displacement due to the horizontal force. The proposed methodology specifies certain guidelines and criteria to estimate the ground motion, assign the vulnerability, and evaluate the damage, covering the whole process. Firstly, different ground motion prediction equations including the local effect are considered, and the ones that have the best correlation with the observations of the 2010 earthquake, are identified. Secondly, the classification of building typologies is made by using the information collected during a field campaign, as well as a data base provided by the Ministry of Public Works of Haiti. This data base contains relevant information about all the buildings in the city, leading to a total of 6 different typologies. Finally, the damage is estimated using the capacity-spectrum method as implemented in the software SELENA (Molina et al., 2010). Data about the damage caused by the 2010 earthquake have been used to calibrate the proposed calculation model: different choices of ground motion relationships, soil models, and damage functions. Then, with the calibrated model, a deterministic scenario corresponding to an epicenter close to Port-au-Prince has been simulated. The results show high structural damage, and therefore, they point out the high structural vulnerability in the city. Besides, the economic and human losses associated to the damage would cause a great impact in the country. This result will be provided to the Haitian Government, constituting a scientific base for decision making and for the adoption of measures to prevent and mitigate the seismic risk. It is highly recommended to drive efforts towards the quality control of the new buildings -through reinforcement and construction according to a seismic code- and the development of emergency planning.

Sismicidad inducida por la manipulación del subsuelo

Los terremotos inducidos por la inyección de gas realizadas en la plataforma continental del golfo de Valencia, proyecto El Castor, en septiembre-octubre 2013, han creado cierta alarma social en las poblaciones costeras próximas. Esto, que es novedoso en España, ha ocurrido con cierta frecuencia en otras áreas pobladas en distintos países y por causa de varios tipos de manipulación del subsuelo. Este artículo intenta ilustrar el problema de la sismicidad inducida por la actividad del hombre. Según se describe en el texto, la sismicidad inducida tiene unos límites, máximo terremoto inducido, que pueden ser investigados en cada caso. De esa manera, se pueden establecer protocolos de actuación que impidan que dichas actividades causen daños materiales en las localidades próximas. Earthquakes induced by the gas injection in the continental platform, of the golf of Valencia, Castor Project, last September-October 2013, has motivated some social alarm within the nearby coastal population. That, which is new for Spain, has happened with some frequency at some other populated areas, in different countries and due to various types of subsoil manipulations. This article tries to illustrate the induced seismicity problem due to human activities. As it is described in the text, the induced seismicity has some limits (maximum induced earthquake) that can be investigated for each particular case. By this way, protocols of operation can be established to avoid that theses activities might cause material damage to local population.

Geotechnical Analysis of Contaminated Sand by Light Non-Aquous Phase Liquids

Contaminated soil reuse was investigated, with higher profusion, throughout the early 90’s, coinciding with the 1991 Gulf War, when efforts to amend large crude oil releases began in geotechnical assessment of contaminated soils. Isolated works referring to geotechnical testing with hydrocarbon ground contaminants are described in the state-of-the-art, which have been extended to other type of contaminated soil references. Contaminated soils by light non-aquous phase liquids (LNAPL) bearing capacity reduction has been previously investigated from a forensic point of view. To date, all the research works have been published based on the assumption of constant contaminant saturation for the entire soil mass. In contrast, the actual LNAPLs distribution plumes exhibit complex flow patterns which are subject to physical and chemical changes with time and distance travelled from the release source. This aspect has been considered along the present text. A typical Madrid arkosic soil formation is commonly known as Miga sand. Geotechnical tests have been carried out, with Miga sand specimens, in incremental series of LNAPL concentrations in order to observe the soil engineering properties variation due to a contamination increase. Results are discussed in relation with previous studies and as a matter of fact, soil mechanics parameters change in the presence of LNAPL, showing different tendencies according to each test and depending on the LNAPL content, as well as to the specimen’s initially planned relative density, dense or loose. Geotechnical practical implications are also commented on and analyzed. Variation on geotechnical properties may occur only within the external contour of contamination distribution plume. This scope has motivated the author to develop a physical model based on transparent soil technology. The model aims to reproduce the distribution of LNAPL into the ground due to an accidental release from a storage facility. Preliminary results indicate that the model is a potentially complementary tool for hydrogeological applications, site-characterization and remediation treatment testing within the framework of soil pollution events. A description of the test setup of an innovative three dimensional physical model for the flow of two or more phases, in porous media, is presented herein, along with a summary of the advantages, limitations and future applications for modeling with transparent material. En los primeros años de la década de los años 90, del siglo pasado, coincidiendo con la Guerra del Golfo en 1991, se investigó intensamente sobre la reutilización de suelos afectados por grandes volúmenes de vertidos de crudo, fomentándose la evaluación geotécnica de los suelos contaminados. Se describen, en el estado del arte de esta tésis, una serie de trabajos aislados en relación con la caracterización geotécnica de suelos contaminados con hidrocarburos, descripción ampliada mediante referencias relacionadas con otros tipos de contaminación de suelos. Existen estudios previos de patología de cimentaciones que analizan la reducción de la capacidad portante de suelos contaminados por hidrocarburos líquidos ligeros en fase no acuosa (acrónimo en inglés: LNAPL de “Liquid Non-Aquous Phase Liquid”). A fecha de redacción de la tesis, todas las publicaciones anteriores estaban basadas en la consideración de una saturación del contaminante constante en toda la extensión del terreno de cimentación. La distribución real de las plumas de contaminante muestra, por el contrario, complejas trayectorias de flujo que están sujetas a cambios físico-químicos en función del tiempo y la distancia recorrida desde su origen de vertido. Éste aspecto ha sido considerado y tratado en el presente texto. La arena de Miga es una formación geológica típica de Madrid. En el ámbito de esta tesis se han desarrollado ensayos geotécnicos con series de muestras de arena de Miga contaminadas con distintas concentraciones de LNAPL con el objeto de estimar la variación de sus propiedades geotécnicas debido a un incremento de contaminación. Se ha realizado una evaluación de resultados de los ensayos en comparación con otros estudios previamente analizados, resultando que las propiedades mecánicas del suelo, efectivamente, varían en función del contenido de LNAPL y de la densidad relativa con la que se prepare la muestra, densa o floja. Se analizan y comentan las implicaciones de carácter práctico que supone la mencionada variación de propiedades geotécnicas. El autor ha desarrollado un modelo físico basado en la tecnología de suelos transparentes, considerando que las variaciones de propiedades geotécnicas únicamente deben producirse en el ámbito interior del contorno de la pluma contaminante. El objeto del modelo es el de reproducir la distribución de un LNAPL en un terreno dado, causada por el vertido accidental de una instalación de almecenamiento de combustible. Los resultados preliminares indican que el modelo podría emplearse como una herramienta complementaria para el estudio de eventos contaminantes, permitiendo el desarrollo de aplicaciones de carácter hidrogeológico, caracterización de suelos contaminados y experimentación de tratamientos de remediación. Como aportación de carácter innovadora, se presenta y describe un modelo físico tridimensional de flujo de dos o más fases a través de un medio poroso transparente, analizándose sus ventajas e inconvenientes así como sus limitaciones y futuras aplicaciones.

Evaluación de obras de conservación de suelos en el Distrito de Coixtlahuaca (Oaxaca, México) y bases para actuaciones futuras.

En el Distrito de Coixtlahuaca (Estado de Oaxaca, México) desde antiguo se han realizado obras y prácticas de conservación de suelos que intentaran paliar su degradación como consecuencia de la sobreexplotación de las actividades humanas, como el pastoreo, sistemas de cultivo como la roza, tumba y quema o la obtención de leña; a lo que se une la propia la vulnerabilidad natural de sus recursos naturales y las complicadas condiciones climáticas y orográficas. Estos factores han acabado con graves pérdidas de suelo por erosión hídrica en el centro y sur del Distrito, dificultando o impidiendo el normal desarrollo de las actividades humanas más básicas, como la agricultura o el abastecimiento de agua, o las funciones propias del ecosistema, y derivando en otros de índole socioeconómica como la marginalidad o la emigración hacia los EE. UU. y otros Estados del país. Las obras de conservación de suelos en ladera son medidas de amplia difusión en el ámbito conservacionista y de lucha contra la erosión; y han sido objeto de numerosos Programas de Gobierno, sobre todo entre 1966 y 1974. Sin embargo, la eficacia nunca ha sido comprobada para dichas tecnologías ni para el Distrito de Coixtlahuaca, con lo que los esfuerzos retomados en la actualidad continúan la inercia de las obras de conservación realizadas en el pasado, a pesar de haber sido el centro de encendidos debates. La evaluación de las obras de conservación de suelos, objeto de este estudio, analiza su eficacia, sus beneficios en relación al coste, y sus repercusiones socioeconómicas, culturales y ambientales; para lo que se ha estudiado la influencia de las obras sobre los procesos erosivos y la erosionabilidad del suelo, e integrado los distintos puntos de vista de los grupos afectados. Ello ha permitido extraer conclusiones aplicables a las que se están ejecutando actualmente, y la posibilidad de optimizar los recursos económicos empleados desde el Gobierno, la Reserva de la Biosfera a la que pertenece parte del Distrito u otras instituciones y ONGs locales; así como los recursos humanos que con tanto esfuerzo aportan los propios habitantes. Junto a las mejoras que se proponen, se hace necesario reseñar los medios que faciliten la realización de las obras de conservación de suelos, no sólo en su financiación, sino también aquellos que permitan activar los mecanismos de cambio en una sociedad en la que ha renacido una incipiente voluntad por recuperar los recursos en que basan sus medios de vida. Una implementación cuya sostenibilidad, en última instancia, sólo se puede garantizar mediante la adopción de dichas tecnologías a través los beneficios observados por ellos mismos.

La guerra no es el único medio para lograr el desarrollo tecnológico

La investigación militar ha sido durante mucho tiempo el motor del desarrollo tecnológico. El fin de la 'guerra fría' abrió la esperanza para que la investigación con fines civiles la sustituyera, pero la guerra del Golfo ha frenado el proyecto. El profesor Martín Pereda cree que aún hay tiempo de rectificar.

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.

Restauración de la Cubierta Vegetal y de Espacios Degradados en la Región de la Macaronesia

La Macaronesia es un conjunto de archipiélagos de origen volcánico situados en el atlántico norte, entre los 15º N en Cabo Verde y los 40º N en Azores. Se trata de islas nacidas desde el fondo oceánico y emergidas en un intervalo de tiempo relativamente similar (los últimos 25 millones de años), influidas por los vientos alisios, la rama oriental de la corriente del Golfo y la corriente fría de Canarias. Son territorios muy singulares, medioambientalmente hablando, con frágiles ecosistemas. La presente obra se compone de 15 capítulos y 6 casos de aplicación divididos en 4 bloques: fundamentos teóricos de la restauración, restauración de la cubierta vegetal, restauración de espacios degradados y casos prácticos de aplicación. Con este libro se pretende hacer una introducción a las técnicas de restauración ambiental y recuperación de la cubierta vegetal. Se contemplan técnicas de conservación y restauración de suelos, reforestación, restauración hidrológica forestal, la recuperación del litoral costero y el dominio público, la restauración tras incendios forestales, incluyendo la evaluación ambiental de planes y proyectos. En la mayoría de los casos se particulariza para las Islas Canarias, contemplando las particularidades de cada isla y siendo extensible a los demás archipiélagos macaronésicos. El libro es de interés para académicos, ingenieros, consultores, y profesionales vinculados con la ingeniería del medio natural y la restauración de espacios degradados especialmente en la región de la Macaronesia. Los coordinadores y autores de algunos de los capítulos de la presente obra, Juan Carlos Santamarta Cerezal y Jorge Naranjo Borges son Doctores Ingenieros de Montes, representantes del colegio profesional en Canarias desde el año 2010. Con una dilatada experiencia en la gestión e ingeniería forestal y ambiental en las islas. Entre ambos han firmado cerca de 160 publicaciones relacionadas con el medioambiente y la sostenibilidad, participando también activamente en la docencia y coordinación de más de 90 cursos de especialización.

Entrevista a Eugene Garfield, director del Institute for Scientific Information (ISI) de Estados Unidos

El químico norteamericano Eugene Garfield es considerado por muchos investigadores como el "santón" de la documentación científica en el mundo. Bajo el prisma de Garfield y a través de publicaciones tan prestigiosas como "Current Contents" o "Science Citation Index", cualquier investigador puede conocer el índice de impacto que ha alcanzado su trabajo en la comunidad científica.

Modelo gráfico para la datación de vías romanas empedradas a partir del estudio de sus estados de frecuentación y del análisis superficial de roderas

La presente tesis doctoral se orienta al estudio y análisis de los caminos empedrados antiguos, desde la época prerromana, tanto desde el punto de vista histórico como desde el técnico. La cuantificación de la romanidad de un camino representa un objetivo importante para la mayoría de los estudiosos de la caminería antigua, así como para los arqueólogos, por los datos que ofrece acerca del uso del territorio, los trazados de caminos en la antigüedad y los tráficos asociados. Cuantificar la romanidad de un camino no es tarea sencilla debido a que intervienen multitud de condicionantes que están vivos y son cambiantes como consecuencia del dinamismo inherente al propio camino. En cuanto al aspecto histórico, se realiza una descripción y análisis de la evolución del camino en la Península Ibérica desde sus orígenes hasta mediados del siglo XX, que permite diferenciar la red itineraria según su momento histórico. Así mismo, se describen y analizan: las ruedas y los carros desde sus orígenes, especialmente en la época romana -incluyendo una toma de medidas de distintos tipos de carro, existentes en instituciones y colecciones particulares-; las técnicas de transporte en la antigüedad y las características de la infraestructura viaria de época romana, detallando aspectos generales de sus técnicas de ingeniería y construcción. Desde el punto de vista técnico, el enfoque metodológico ha sido definir un Índice de Romanidad del Camino (IRC) para la datación de vías romanas empedradas, basado en un análisis multicriterio, a partir de los distintos factores que caracterizan su romanidad. Se ha realizado un exhaustivo estudio de campo, con la correspondiente toma de datos en las vías. Se han realizado una serie de ensayos de laboratorio con un prototipo creado exprofeso para simular el desgaste de la piedra producido por el traqueteo del carro al circular por el camino empedrado y dar una hipótesis de datación del camino. Se ha realizado un tratamiento estadístico con la muestra de datos medidos en campo. Se ha definido además el concepto de elasticidad de rodera usando la noción de derivada elástica. En cuanto a los resultados obtenidos: se ha calculado el Índice de Romanidad del Camino (IRC) en una serie de vías empedradas, para cuantificar su romanidad, obteniéndose un resultado coherente con la hipótesis previa sobre la datación de dichas vías; y se ha formulado un modelo exponencial para el número de frecuentaciones de carga que lo relaciona con la elasticidad de rodera y con su esbeltez y que se ha utilizado para relacionar la elasticidad de la rodera con la geología de la roca. Se ha iniciado una línea de investigación sobre la estimación de tráficos históricos en la caminería antigua, considerando que el volumen de tráfico a lo largo del tiempo en un tramo de vía está relacionado con los valores de elasticidad de rodera de dicho tramo a través de la tipología de la roca. En resumen, la presente tesis doctoral proporciona un método para sistematizar el estudio de los caminos antiguos, así como para datarlos y estimar la evolución de sus tráficos. The present Ph. D. Thesis aims to study and to analyze ancient cobbled ways, since pre-roman times, both from the historical and technical points of view. The quantification of the Roman character of a way represents an important target for most of the researchers of ancient ways, as well as for the archaeologists, due to information that it offers about the use of the territory, the tracings of ways in the antiquity and the associate flows. To quantify the Roman character of a way is not a simple task because it involves multitude of influent factors that are alive and variable as a result of the dynamism inherent to the way. As for the historical aspect, a description and analysis of the evolution of the way in the Iberian Peninsula from its origins until the middle of the twentieth century has been done. This allows us to distinguish between elements of the network according to its historical moment. Likewise, a description and analysis is given about: the wheels and the cars since their origins, especially in the Roman time - including a capture of measurements of different types of car, belonging to institutions and to particular collections-; the transport techniques on the antiquity and the characteristics of the road infrastructure of Roman epoch, detailing general technical engineering and constructive aspects. From the technical point of view, the methodological approach has been to define an Index of the Roman Character of the Way (IRC) for the dating of cobbled Roman routes, based on a multi-criterion analysis, involving different factors typical of Roman ways. An exhaustive field study has been realized, with the corresponding capture of information in the routes. A series of laboratory essays has been realized with an ad hoc prototype created to simulate the wear of the stone produced by cars circulating along the cobbled way, and to give a dating hypothesis of the way. A statistical treatment has been realized with the sample of information measured in field. There has been defined also the concept of elasticity of rolling trace using the notion of elastic derivative. As for the obtained results: there has been calculated the Index of Roman Character of the Way (IRC) in a series of cobbled routes, to quantify its Roman character, obtaining a coherent result with the previous dating hypothesis of the above mentioned routes; and an exponential model has been formulated for the number of frequent attendances of load that relates this number to the elasticity of rolling trace and to its slenderness and that has been used to relate the elasticity of the rolling trace to the geology of the rock. An investigation line has been opened about the estimation of historical flows in ancient ways, considering that the traffic volume over the course of time in a route stretch is related to the values of elasticity of rolling trace of the above mentioned stretch by means of the typology of the rock. In short, the present Ph. D. Thesis provides a method to systematize the study of ancient ways, as well as to date them and to estimate the evolution of their flows.