Rammed earth walls in Serón de Nágima castle (Soria, Spain): Constructive lecture

The Raya or frontier between the kingdoms of Castile and Aragón was fortified with a system of castles and walled-cities that were useful during the several conflicts that took place in the Late Medieval Age. The Serón de Nágima castle defended the communication road between the axis of the Jalón river valley, which flows into the Ebro, and Duero valley. Its uniqueness stems from the fact that it is one of the few fortifications in the area where rammed earth is the only building system used. In this paper, the castle building fundaments are exposed mainly focusing on the techniques and building processes developed from the interpretation of the legible constructive signs in its walls.

Ballistic performance of nanocrystalline and nanotwinned ultrafine crystal steel

Because of their remarkable mechanical properties, nanocrystalline metals have been the focus of much research in recent years. Refining their grain size to the nanometer range (<100 nm) effectively reduces their dislocation mobility, thus achieving very high yield strength and surface hardness—as predicted by the Hall–Petch relation—as well as higher strain-rate sensitivity. Recent works have additionally suggested that nanocrystalline metals exhibit an even higher compressive strength under shock loading. However, the increase in strength of these materials is generally accompanied by an important reduction in ductility. As an alternative, efforts have been focused on ultrafine crystals, i.e. polycrystals with a grain size in the range of 500 nm to 1 μm, in which “growth twins” (twins introduced inside the grain before deformation) act as barriers against dislocation movement, thus increasing the strength in a similar way as nanocrystals but without significant loss of ductility. Due to their outstanding mechanical properties, both nanocrystalline and nanotwinned ultrafine crystalline steels appear to be relevant candidates for ballistic protection. The aim of the present work is to compare their ballistic performance against coarse-grained steel, as well as to identify the effect of the hybridization with a carbon fiber–epoxy composite layer. Hybridization is proposed as a way to improve the nanocrystalline brittle properties in a similar way as is done with ceramics in other protection systems. The experimental campaign is finally complemented by numerical simulations to help identify some of the intrinsic deformation mechanisms not observable experimentally. As a conclusion, nanocrystalline and nanotwinned ultrafine crystals show a lower energy absorption than coarse-grained steel under ballistic loading, but under equal impact conditions with no penetration, deformation in the impact direction is smaller by nearly 40%. This a priori surprising difference in the energy absorption is rationalized by the more important local contribution of the deviatoric stress vs. volumetric stress under impact than under uniaxial deformation. Ultimately, the deformation advantage could be exploited in the future for personal protection systems where a small deformation under impact is of key importance.

Rammed earth walls in the late middle age castles in the actual province of Soria, Spain

This paper analyzed the building techniques based in the use of rammed earth in the Late Medieval fortifications in the province of Soria, Spain. The manorial castles of Serón de Nágima and Yanguas were built completely with rammed earth. However, these techinques are different. Through the study of the constructive signals, we can reconstruct the constructive process and made an hypothesis of the auxiliary scaffolding necessary for the construction. After, other four cases in which there is presence of rammed earth are described: Ágreda, Arcos de Jalón, Caracena and the tower of Martín González or castle of La Raya (the Border). Rammed earth is used in some secondary architectural elements and also as a filling of the masonry walls, but somtimes there are ancient rammed earth walls overlaid with stone masonry.

Fundamentos constructivos de las fortificaciones fronterizas entre las coronas de Castilla y Aragón de los siglos XII al XV en la actual provincia de Soria

La tesis doctoral desarrolla una investigación original, dentro del marco disciplinario de la historia de la construcción, sobre los fundamentos constructivos de las fortificaciones bajomedievales fronterizas entre las Coronas de Castilla y Aragón en la actual provincia de Soria. En el título de la tesis ya queda expresado el objeto fundamental y fundacional, así como el ámbito temporal —desde la reconquista del oriente soriano por parte de Alfonso I el Batallador a principios del siglo XII hasta la unificación de las coronas hispánicas en el siglo XV bajo el común mandato de los Reyes Católicos— y la extensión territorial que delimita la investigación: aquéllas comarcas castellanas lindantes con Aragón pertenecientes a la actual provincia de Soria. Durante este período bajomedieval se produjeron una serie de enfrentamientos fronterizos que obligó a fortificar la frontera y las vías de comunicación entre ambas coronas. La falta de estudios de conjunto de estas fortificaciones entendiéndolas como participantes en un sistema fortificado ha constituido la justificación de la investigación, que se realiza en varios niveles de análisis: territorial, histórico, arquitectónico, poliorcético y constructivo. Así mismo, se ha detectado cierta falta de rigor acompañada de inexactitudes en las consideraciones constructivas publicadas sobre algunas de las fortificaciones del ámbito de estudio, lo que ha provocado errores en su datación al no más haber elementos de corte artístico o estilístico que marquen indudablemente la pertenencia a una época. En la tesis se ponen en duda las dataciones tradicionalmente aceptadas planteando la hipótesis que da pie a la investigación: ante la falta de elementos artísticos o estilísticos en unos sobrios edificios eminentemente funcionales es posible establecer con suficiente aproximación la fecha de construcción en base a criterios constructivos una vez formada una clasificación cronotipológica de cada técnica constructiva. La hipótesis, por lo tanto, plantea un objetivo principal —el estudio de la razón constructiva del sistema fortificado fronterizo— desarrollado en una serie de objetivos específicos cuya consecución programa los sucesivos niveles de análisis: - Conocer y detallar los elementos históricos que originaron los enfrentamientos entre las Coronas de Castilla y Aragón y su desarrollo mediante herramientas historiográficas y analizar las características naturales del territorio en litigio mediante instrumentos cartográficos. - Conocer y analizar los tipos arquitectónicos y las tradiciones constructivas empleadas en las construcciones castrenses en el ámbito temporal en que se enmarca la investigación. - Localizar, documentar y seleccionar para su análisis las fortalezas y construcciones militares erigidas durante dichas luchas fronterizas en la actual provincia de Soria a través del trabajo de campo y métodos cartográficos y bibliográficos. - Realizar un estudio general sobre el sistema fortificado a escala territorial - Investigar la tipología arquitectónica, poliorcética y constructiva del conjunto de estas fortificaciones bajomedievales fronterizas. - Analizar los fundamentos constructivos de los casos de estudio seleccionados entre estas construcciones y caracterizarlas en cuanto al material, elementos, sistemas y procesos constructivos. - Ordenar la información histórica dispersa y corregir errores para hacer una base sobre la que establecer un discurso histórico de cada caso de estudio. - Comparar y relacionar las técnicas constructivas empleadas en estas fortalezas con los utilizados en el mismo ámbito temporal. - Difundir para su debate los resultados de la investigación por los foros científicos habituales. El método empleado combina los trabajos de gabinete con una intensa labor de campo, en la que se han documentado cincuenta fortificaciones y se han redactado sus correspondientes fichas de toma de datos. La recopilación de datos se ha incluido en una base de datos que incluye aspectos generales, tipológicos, constructivos y bibliográficos básicos del conjunto, a modo de inventario, de fortificaciones de la provincia. Las fortificaciones seleccionadas se agrupan según una clasificación tipológica y constructiva que marca las líneas de estudio posteriores. Se desarrolla un capítulo de antecedentes en el que se estudia la historia de la construcción fortificada medieval tanto en Europa como en España analizando la evolución de los tipos arquitectónicos y las múltiples influencias culturales que surcaron el Mediterráneo desde el Oriente cruzado e islámico al Poniente donde se desarrollaba la empresa reconquistadora que mantuvo en estado de guerra continuo a la Península Ibérica durante ochocientos años. El análisis del territorio como contenedor del hecho fortificado revela que hay una relación íntima entre la ubicación de las fortificaciones y las formas naturales que definen las vías de comunicación entre los valles del Duero, del Ebro y del Tajo. En efecto, el ámbito de estudio ha supuesto desde la Antigüedad un territorio de paso fundamental en la articulación de las comunicaciones en la Península Ibérica. Este carácter de paso más que de frontera explica las inquietudes y la preocupación por su control tanto por Roma como por el califato cordobés como por los reinos cristianos medievales. El análisis de los elementos históricos se complementa con el estudio detallado de los enfrentamientos fronterizos entre Castilla y Aragón así como los aspectos sociales y políticos que provocaron la fortificación como sistema de definición de la frontera y de organización espacial, jurisdiccional, social y administrativa del territorio. La arquitectura fortificada es esencialmente funcional: su cometido es la defensa. En este sentido, tras un estudio morfológico de los castillos seleccionados se realiza un extenso análisis poliorcético de sus elementos, investigando su origen y aplicación para servir también de parámetros de datación. Siendo el objeto inaugural de la tesis el estudio de los fundamentos constructivos, se explican los distintos materiales de construcción empleados y se agrupan las fábricas de las fortificaciones seleccionadas en dos grandes grupos constructivos: las fábricas aparejadas y las fábricas encofradas. Se han destacado y estudiado la evolución histórica y la tipología y mensiología constructiva de tres técnicas destacadas: el uso del ladrillo, la tapia de cal y canto o mampostería encofrada y la tapia de tierra. Para el estudio de la componente histórica y de la dimensión constructiva de cada técnica ha sido necesario documentar numerosos casos tanto en el ámbito de estudio como en la Península Ibérica con el fin de establecer grupos cronotipológicos constructivos entre los que poder ubicar las fábricas de estas técnicas presentes en el ámbito de estudio. Se ha observado una evolución dimensional de las fábricas de tapia que es más evidente en las hispanomusulmanas al modularse en codos pero que también se advierte significativamente en las cristianas bajomedievales. De cada una de las técnicas analizadas se ha seleccionado un caso de estudio singular y representativo. El castillo de Arcos de Jalón es un ejemplo significativo del empleo de la fábrica mixta de mampostería con verdugadas de ladrillo, así como las murallas de la ciudad fortificada de Peñalcázar lo es de la fábrica de mampostería encofrada y el castillo de Serón de Nágima constituye un caso característico y principal de la utilización de la tapia de tierra en la arquitectura militar bajomedieval. Cada uno de estos tres casos de estudios se examina bajo los mismos cuatro niveles anteriormente mencionados: territorial, histórico, arquitectónico y defensivo y constructivo. El sistemático método de estudio ha facilitado el orden en la investigación y la obtención de unos resultados y conclusiones que verifican la hipótesis y cumplen los objetivos marcados al comienzo. Se ha revisado la datación en la construcción de las fortificaciones analizadas mediante el estudio cronotipológico de sus fábricas, pudiendo trasladarse el método a otros sistemas fortificados. La tesis abre, finalmente, dos vías principales de investigación encaminadas a completar el estudio del sistema fortificado fronterizo bajomedieval en la raya oriental soriana de Castilla: la caracterización y datación por métodos físico-químicos de las muestras de piezas de madera de construcción que se conservan embebidas en las fábricas y la búsqueda documental y archivística que pueda revelar nuevos datos respecto a la fundación, reparación, venta o cualquier aspecto económico, legislativo, organizativo o administrativo relativo a las fortificaciones en documentos coetáneos. ABSTRACT The doctoral thesis develops an original research, held in the field of the Construction History, about the constructive reason of the frontier fortifications in the Late Middle Age between the Crowns of Castile and Aragón in the actual province of Soria, Spain. In the title is expressed the main objective, and also the temporal scope —from the reconquest in the 12th Century by Alfonso the First of Aragón to the unification under the common kingdom of the Catholic Kings— and the territorial extension that the research delimits: those Castilian regions in the border with Aragón in the actual province of Soria. During this period, a series of border wars were been, and this is the reason for the fortification of the border line and the main roads between both Crowns. The lack of studies of these fortifications as participants in a fortified system is the justification of the research. There is several analysis levels: territorial, historical, architectonic, defensive and constructive. Likewise, there is a lack of strictness and inaccuracy in the constructive items in the publications about several fortifications of this study field. This aspect has caused mistakes in the dating because there is neither artistic nor stylistic elements which determines a epoch. The traditionally accepted datings are challenged. An hypothesis is formulated: in the absence of artistic or stylistic elements in a sober and functional buildings is possible to date the time of construction with sufficiently approximation based on construction criteria once formed a cronotypologic classification of each building technique. The hypothesis, therefore, propose a main aim: the study of the constructive reason of the fortified border system. This aim is developed in a series of specifically targets whose achievement programs the analysis levels: - To know and to detail the historical elements which started the wars between Castile and Aragon and its development using historiographical tools, and to analyze the natural characteristic of the territory through cartographical tools. - To understand and to analyze the different architectural types and the building traditions employed in the military buildings in the time researched. - To locate, to document, and to select for their analysis the fortresses and military constructions erected during these border wars in the actual province of Soria through fieldwork and bibliographical and cartographical methods. - To conduct a general study on the fortified system in territorial scale. - To research the architectural, constructive and defensive typology of the system of these border late medieval fortifications. - To analyze the construction logic of the selected case studies and to characterize in the items of material, elements, systems and construction processes. - To sort scattered historical information and to correct mistakes to make a base by which to establish a historic speech of each case study. - To compare and to relate the construction techniques employed in these fortresses with those used in the same time range . - To spread for discussion the research results in the usual scientists forums. The method combines the destock work with an intense fieldwork. Fifty fortifications have been documented and it has written their corresponding data collection card. Data collection has been included in a database that includes general aspects, typological, constructive and basic bibliographical data, as an inventory of fortifications in the province. The selected fortifications are grouped according to a typological and constructive classification which lead the lines of the later study. There is a chapter for the antecedents in which the history of the medieval fortified construction in Europe and in Spain is studied by analyzing the evolution of architectural types and the many cultural influences along the opposite seasides of the Mediterranean Sea, from the Islamic and Crusader East to the Iberian Peninsula in where there were a long and continuous war during eight hundred years. The territory is analyzed as a container of fortifications. This analysis reveals that there is an intimate relationship between the location of the fortifications and the natural forms that define the communication roads between the Duero, Ebro and Tajo valleys. Indeed, the study area has been a cross-territory from ancient times more than a frontierterritory. This communication character explains the concerns about its control both by Rome and by the Muslims of Córdoba as medieval Christian kingdoms. The analysis of historical elements is supplemented by detailed study of border war between Castile and Aragon and the social and political issues that led to the fortification as border definition system and spatial, jurisdictional, social and administrative planning. The fortified architecture is essentially functional: it is responsible for defense. In this sense, after a morphological study of selected castles is performed an extensive analysis of its defensive elements, investigating its origin and application. This analisis serves for the definition of parameters for dating. The purpose of the thesis is the study of the constructive logic. First, various building materials are explained. Then, masonry is grouped into two major constructive groups: rigged masonry and formwork masonry. The historical evolution and the constructive typology and mensiology are studied for each one of the three main techniques: the use of brickwork, the mortar wall and rammed-earth. Many case studies have been documented along the Iberian Peninsula and also in the study area. As conclusion, there is a dimensional evolution of the rammed-earth walls. This evolution is more evident into the Muslim masonry than in the late medieval walls: the reason is the use of the cubit as module. From each of the techniques discussed, a singular and representative case of study has been selected. The castle of Arcos de Jalon is a significant example of mix masonry of stone and brick rows. The walled city of Peñalcázar is built with masonry formwork. Serón de Nágima castle, at last, is a typical and main case of the use of the rammedearth wall of late medieval military architecture. Each of these three case studies were examined under the same four analysis levels above mentioned: territorial, historical, architectural and defensive and constructive. The systematic method of study has facilitated the order in the research and the obtaining of results and conclusions that verify the hypotheses and achieve the research objectives. Dating of the fortifications construction has been revised by studying the cronotypological issues of its masonry. The method can be transferred to the study of other fortified systems. Finally, the thesis describes two main research new ways aimed at completing the study of the late medieval fortified border of Castile in the actual province of Soria. The first of them is the characterization and datig by physicochemical methods the sample pieces of wood construction preserved embedded in the masonry. The second research way is the investigation of the documents in archives that may reveal new information about the foundation, repair, sale or any aspect to economic, legal, organizational or administrative concerning fortifications in contemporary documents.

A computational model coupling mechanics and electrophysiology in spinal cord injury

Traumatic brain injury and spinal cord injury have recently been put under the spotlight as major causes of death and disability in the developed world. Despite the important ongoing experimental and modeling campaigns aimed at understanding the mechanics of tissue and cell damage typically observed in such events, the differenti- ated roles of strain, stress and their corresponding loading rates on the damage level itself remain unclear. More specif- ically, the direct relations between brain and spinal cord tis- sue or cell damage, and electrophysiological functions are still to be unraveled. Whereas mechanical modeling efforts are focusing mainly on stress distribution and mechanistic- based damage criteria, simulated function-based damage cri- teria are still missing. Here, we propose a new multiscale model of myelinated axon associating electrophysiological impairment to structural damage as a function of strain and strain rate. This multiscale approach provides a new framework for damage evaluation directly relating neuron mechanics and electrophysiological properties, thus provid- ing a link between mechanical trauma and subsequent func- tional deficits.

A model of the spatially dependent mechanical properties of the axon during its growth

Neuronal growth is a complex process involving many intra- and extracellular mechanisms which are collaborating conjointly to participate to the development of the nervous system. More particularly, the early neocortical development involves the creation of a multilayered structure constituted by neuronal growth (driven by axonal or dendritic guidance cues) as well as cell migration. The underlying mechanisms of such structural lamination not only implies important biochemical changes at the intracellular level through axonal microtubule (de)polymerization and growth cone advance, but also through the directly dependent stress/stretch coupling mechanisms driving them. Efforts have recently focused on modeling approaches aimed at accounting for the effect of mechanical tension or compression on the axonal growth and subsequent soma migration. However, the reciprocal influence of the biochemical structural evolution on the mechanical properties has been mostly disregarded. We thus propose a new model aimed at providing the spatially dependent mechanical properties of the axon during its growth. Our in-house finite difference solver Neurite is used to describe the guanosine triphosphate (GTP) transport through the axon, its dephosphorylation in guanosine diphosphate (GDP), and thus the microtubules polymerization. The model is calibrated against experimental results and the tensile and bending mechanical stiffnesses are ultimately inferred from the spatially dependent microtubule occupancy. Such additional information is believed to be of drastic relevance in the growth cone vicinity, where biomechanical mechanisms are driving axonal growth and pathfinding. More specifically, the confirmation of a lower stiffness in the distal axon ultimately participates in explaining the controversy associated to the tensile role of the growth cone.

Grain size gradient length scale in ballistic properties optimization of functionally graded nanocrystalline steel plates

The last few years have highlighted the existence of two relevant length scales in the quest to ultrahigh-strength polycrystalline metals. Whereas the microstructural length scale – e.g. grain or twin size – has mainly be linked to the well-established Hall–Petch relationship, the sample length scale – e.g. nanopillar size – has also proven to be at least as relevant, especially in microscale structures. In this letter, a series of ballistic tests on functionally graded nanocrystalline plates are used as a basis for the justification of a “grain size gradient length scale” as an additional ballistic properties optimization parameter.

Continuum models of the mechanical behavior of rolled and die-cast magnesium alloys

En los últimos años ha habido una fuerte tendencia a disminuir las emisiones de CO2 y su negativo impacto medioambiental. En la industria del transporte, reducir el peso de los vehículos aparece como la mejor opción para alcanzar este objetivo. Las aleaciones de Mg constituyen un material con gran potencial para el ahorro de peso. Durante la última década se han realizado muchos esfuerzos encaminados a entender los mecanismos de deformación que gobiernan la plasticidad de estos materiales y así, las aleaciones de Mg de colada inyectadas a alta presión y forjadas son todavía objeto de intensas campañas de investigación. Es ahora necesario desarrollar modelos que contemplen la complejidad inherente de los procesos de deformación de éstos. Esta tesis doctoral constituye un intento de entender mejor la relación entre la microestructura y el comportamiento mecánico de aleaciones de Mg, y dará como resultado modelos de policristales capaces de predecir propiedades macro- y microscópicas. La deformación plástica de las aleaciones de Mg está gobernada por una combinación de mecanismos de deformación característicos de la estructura cristalina hexagonal, que incluye el deslizamiento cristalográfico en planos basales, prismáticos y piramidales, así como el maclado. Las aleaciones de Mg de forja presentan texturas fuertes y por tanto los mecanismos de deformación activos dependen de la orientación de la carga aplicada. En este trabajo se ha desarrollado un modelo de plasticidad cristalina por elementos finitos con el objetivo de entender el comportamiento macro- y micromecánico de la aleación de Mg laminada AZ31 (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). Este modelo, que incorpora el maclado y tiene en cuenta el endurecimiento por deformación debido a las interacciones dislocación-dislocación, dislocación-macla y macla-macla, predice exitosamente las actividades de los distintos mecanismos de deformación y la evolución de la textura con la deformación. Además, se ha llevado a cabo un estudio que combina difracción de electrones retrodispersados en tres dimensiones y modelización para investigar el efecto de los límites de grano en la propagación del maclado en el mismo material. Ambos, experimentos y simulaciones, confirman que el ángulo de desorientación tiene una influencia decisiva en la propagación del maclado. Se ha observado que los efectos no-Schmid, esto es, eventos de deformación plástica que no cumplen la ley de Schmid con respecto a la carga aplicada, no tienen lugar en la vecindad de los límites de baja desorientación y se hacen más frecuentes a medida que la desorientación aumenta. Esta investigación también prueba que la morfología de las maclas está altamente influenciada por su factor de Schmid. Es conocido que los procesos de colada suelen dar lugar a la formación de microestructuras con una microporosidad elevada, lo cuál afecta negativamente a sus propiedades mecánicas. La aplicación de presión hidrostática después de la colada puede reducir la porosidad y mejorar las propiedades aunque es poco conocido su efecto en el tamaño y morfología de los poros. En este trabajo se ha utilizado un enfoque mixto experimentalcomputacional, basado en tomografía de rayos X, análisis de imagen y análisis por elementos finitos, para la determinación de la distribución tridimensional (3D) de la porosidad y de la evolución de ésta con la presión hidrostática en la aleación de Mg AZ91 (Mg- 9wt.%Al-1wt.%Zn) colada por inyección a alta presión. La distribución real de los poros en 3D obtenida por tomografía se utilizó como input para las simulaciones por elementos finitos. Los resultados revelan que la aplicación de presión tiene una influencia significativa tanto en el cambio de volumen como en el cambio de forma de los poros que han sido cuantificados con precisión. Se ha observado que la reducción del tamaño de éstos está íntimamente ligada con su volumen inicial. En conclusión, el modelo de plasticidad cristalina propuesto en este trabajo describe con éxito los mecanismos intrínsecos de la deformación de las aleaciones de Mg a escalas meso- y microscópica. Más especificamente, es capaz de capturar las activadades del deslizamiento cristalográfico y maclado, sus interacciones, así como los efectos en la porosidad derivados de los procesos de colada. ---ABSTRACT--- The last few years have seen a growing effort to reduce CO2 emissions and their negative environmental impact. In the transport industry more specifically, vehicle weight reduction appears as the most straightforward option to achieve this objective. To this end, Mg alloys constitute a significant weight saving material alternative. Many efforts have been devoted over the last decade to understand the main mechanisms governing the plasticity of these materials and, despite being already widely used, high pressure die-casting and wrought Mg alloys are still the subject of intense research campaigns. Developing models that can contemplate the complexity inherent to the deformation of Mg alloys is now timely. This PhD thesis constitutes an attempt to better understand the relationship between the microstructure and the mechanical behavior of Mg alloys, as it will result in the design of polycrystalline models that successfully predict macro- and microscopic properties. Plastic deformation of Mg alloys is driven by a combination of deformation mechanisms specific to their hexagonal crystal structure, namely, basal, prismatic and pyramidal dislocation slip as well as twinning. Wrought Mg alloys present strong textures and thus specific deformation mechanisms are preferentially activated depending on the orientation of the applied load. In this work a crystal plasticity finite element model has been developed in order to understand the macro- and micromechanical behavior of a rolled Mg AZ31 alloy (Mg-3wt.%Al-1wt.%Zn). The model includes twinning and accounts for slip-slip, slip-twin and twin-twin hardening interactions. Upon calibration and validation against experiments, the model successfully predicts the activity of the various deformation mechanisms and the evolution of the texture at different deformation stages. Furthermore, a combined three-dimensional electron backscatter diffraction and modeling approach has been adopted to investigate the effect of grain boundaries on twin propagation in the same material. Both experiments and simulations confirm that the misorientation angle has a critical influence on twin propagation. Non-Schmid effects, i.e. plastic deformation events that do not comply with the Schmid law with respect to the applied stress, are absent in the vicinity of low misorientation boundaries and become more abundant as misorientation angle increases. This research also proves that twin morphology is highly influenced by the Schmid factor. Finally, casting processes usually lead to the formation of significant amounts of gas and shrinkage microporosity, which adversely affect the mechanical properties. The application of hydrostatic pressure after casting can reduce the porosity and improve the properties but little is known about the effects on the casting’s pores size and morphology. In this work, an experimental-computational approach based on X-ray computed tomography, image analysis and finite element analysis is utilized for the determination of the 3D porosity distribution and its evolution with hydrostatic pressure in a high pressure diecast Mg AZ91 alloy (Mg-9wt.%Al-1wt.%Zn). The real 3D pore distribution obtained by tomography is used as input for the finite element simulations using an isotropic hardening law. The model is calibrated and validated against experimental stress-strain curves. The results reveal that the pressure treatment has a significant influence both on the volume and shape changes of individuals pores, which have been precisely quantified, and which are found to be related to the initial pore volume. In conclusion, the crystal plasticity model proposed in this work successfully describes the intrinsic deformation mechanisms of Mg alloys both at the mesoscale and the microscale. More specifically, it can capture slip and twin activities, their interactions, as well as the potential porosity effects arising from casting processes.

Large scale multiphysics modeling of neurites

Situado en el límite entre Ingeniería, Informática y Biología, la mecánica computacional de las neuronas aparece como un nuevo campo interdisciplinar que potencialmente puede ser capaz de abordar problemas clínicos desde una perspectiva diferente. Este campo es multiescala por naturaleza, yendo desde la nanoescala (como, por ejemplo, los dímeros de tubulina) a la macroescala (como, por ejemplo, el tejido cerebral), y tiene como objetivo abordar problemas que son complejos, y algunas veces imposibles, de estudiar con medios experimentales. La modelización computacional ha sido ampliamente empleada en aplicaciones Neurocientíficas tan diversas como el crecimiento neuronal o la propagación de los potenciales de acción compuestos. Sin embargo, en la mayoría de los enfoques de modelización hechos hasta ahora, la interacción entre la célula y el medio/estímulo que la rodea ha sido muy poco explorada. A pesar de la tremenda importancia de esa relación en algunos desafíos médicos—como, por ejemplo, lesiones traumáticas en el cerebro, cáncer, la enfermedad del Alzheimer—un puente que relacione las propiedades electrofisiológicas-químicas y mecánicas desde la escala molecular al nivel celular todavía no existe. Con ese objetivo, esta investigación propone un marco computacional multiescala particularizado para dos escenarios respresentativos: el crecimiento del axón y el acomplamiento electrofisiológicomecánico de las neuritas. En el primer caso, se explora la relación entre los constituyentes moleculares del axón durante su crecimiento y sus propiedades mecánicas resultantes, mientras que en el último, un estímulo mecánico provoca deficiencias funcionales a nivel celular como consecuencia de sus alteraciones electrofisiológicas-químicas. La modelización computacional empleada en este trabajo es el método de las diferencias finitas, y es implementada en un nuevo programa llamado Neurite. Aunque el método de los elementos finitos es también explorado en parte de esta investigación, el método de las diferencias finitas tiene la flexibilidad y versatilidad necesaria para implementar mode los biológicos, así como la simplicidad matemática para extenderlos a simulaciones a gran escala con un coste computacional bajo. Centrándose primero en el efecto de las propiedades electrofisiológicas-químicas sobre las propiedades mecánicas, una versión adaptada de Neurite es desarrollada para simular la polimerización de los microtúbulos en el crecimiento del axón y proporcionar las propiedades mecánicas como función de la ocupación de los microtúbulos. Después de calibrar el modelo de crecimiento del axón frente a resultados experimentales disponibles en la literatura, las características mecánicas pueden ser evaluadas durante la simulación. Las propiedades mecánicas del axón muestran variaciones dramáticas en la punta de éste, donde el cono de crecimiento soporta las señales químicas y mecánicas. Bansándose en el conocimiento ganado con el modelo de diferencias finitas, y con el objetivo de ir de 1D a 3D, este esquema preliminar pero de una naturaleza innovadora allana el camino a futuros estudios con el método de los elementos finitos. Centrándose finalmente en el efecto de las propiedades mecánicas sobre las propiedades electrofisiológicas- químicas, Neurite es empleado para relacionar las cargas mecánicas macroscópicas con las deformaciones y velocidades de deformación a escala microscópica, y simular la propagación de la señal eléctrica en las neuritas bajo carga mecánica. Las simulaciones fueron calibradas con resultados experimentales publicados en la literatura, proporcionando, por tanto, un modelo capaz de predecir las alteraciones de las funciones electrofisiológicas neuronales bajo cargas externas dañinas, y uniendo lesiones mecánicas con las correspondientes deficiencias funcionales. Para abordar simulaciones a gran escala, aunque otras arquitecturas avanzadas basadas en muchos núcleos integrados (MICs) fueron consideradas, los solvers explícito e implícito se implementaron en unidades de procesamiento central (CPU) y unidades de procesamiento gráfico (GPUs). Estudios de escalabilidad fueron llevados acabo para ambas implementaciones mostrando resultados prometedores para casos de simulaciones extremadamente grandes con GPUs. Esta tesis abre la vía para futuros modelos mecánicos con el objetivo de unir las propiedades electrofisiológicas-químicas con las propiedades mecánicas. El objetivo general es mejorar el conocimiento de las comunidades médicas y de bioingeniería sobre la mecánica de las neuronas y las deficiencias funcionales que aparecen de los daños producidos por traumatismos mecánicos, como lesiones traumáticas en el cerebro, o enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad del Alzheimer. ABSTRACT Sitting at the interface between Engineering, Computer Science and Biology, Computational Neuron Mechanics appears as a new interdisciplinary field potentially able to tackle clinical problems from a new perspective. This field is multiscale by nature, ranging from the nanoscale (e.g., tubulin dimers) to the macroscale (e.g., brain tissue), and aims at tackling problems that are complex, and sometime impossible, to study through experimental means. Computational modeling has been widely used in different Neuroscience applications as diverse as neuronal growth or compound action potential propagation. However, in the majority of the modeling approaches done in this field to date, the interactions between the cell and its surrounding media/stimulus have been rarely explored. Despite of the tremendous importance of such relationship in several medical challenges—e.g., traumatic brain injury (TBI), cancer, Alzheimer’s disease (AD)—a bridge between electrophysiological-chemical and mechanical properties of neurons from the molecular scale to the cell level is still lacking. To this end, this research proposes a multiscale computational framework particularized for two representative scenarios: axon growth and electrophysiological-mechanical coupling of neurites. In the former case, the relation between the molecular constituents of the axon during its growth and its resulting mechanical properties is explored, whereas in the latter, a mechanical stimulus provokes functional deficits at cell level as a consequence of its electrophysiological-chemical alterations. The computational modeling approach chosen in this work is the finite difference method (FDM), and was implemented in a new program called Neurite. Although the finite element method (FEM) is also explored as part of this research, the FDM provides the necessary flexibility and versatility to implement biological models, as well as the mathematical simplicity to extend them to large scale simulations with a low computational cost. Focusing first on the effect of electrophysiological-chemical properties on the mechanical proper ties, an adaptation of Neurite was developed to simulate microtubule polymerization in axonal growth and provide the axon mechanical properties as a function of microtubule occupancy. After calibrating the axon growth model against experimental results available in the literature, the mechanical characteristics can be tracked during the simulation. The axon mechanical properties show dramatic variations at the tip of the axon, where the growth cone supports the chemical and mechanical signaling. Based on the knowledge gained from the FDM scheme, and in order to go from 1D to 3D, this preliminary yet novel scheme paves the road for future studies with FEM. Focusing then on the effect of mechanical properties on the electrophysiological-chemical properties, Neurite was used to relate macroscopic mechanical loading to microscopic strains and strain rates, and simulate the electrical signal propagation along neurites under mechanical loading. The simulations were calibrated against experimental results published in the literature, thus providing a model able to predict the alteration of neuronal electrophysiological function under external damaging load, and linking mechanical injuries to subsequent acute functional deficits. To undertake large scale simulations, although other state-of-the-art architectures based on many integrated cores (MICs) were considered, the explicit and implicit solvers were implemented for central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs). Scalability studies were done for both implementations showing promising results for extremely large scale simulations with GPUs. This thesis opens the avenue for future mechanical modeling approaches aimed at linking electrophysiological- chemical properties to mechanical properties. Its overarching goal is to enhance the bioengineering and medical communities knowledge on neuronal mechanics and functional deficits arising from damages produced by direct mechanical insults, such as TBI, or neurodegenerative evolving illness, such as AD.

Neurite, a finite difference large scale parallel program for the simulation of the electrical signal propagation in neurites under mechanical loading

With the growing body of research on traumatic brain injury and spinal cord injury, computational neuroscience has recently focused its modeling efforts on neuronal functional deficits following mechanical loading. However, in most of these efforts, cell damage is generally only characterized by purely mechanistic criteria, function of quantities such as stress, strain or their corresponding rates. The modeling of functional deficits in neurites as a consequence of macroscopic mechanical insults has been rarely explored. In particular, a quantitative mechanically based model of electrophysiological impairment in neuronal cells has only very recently been proposed (Jerusalem et al., 2013). In this paper, we present the implementation details of Neurite: the finite difference parallel program used in this reference. Following the application of a macroscopic strain at a given strain rate produced by a mechanical insult, Neurite is able to simulate the resulting neuronal electrical signal propagation, and thus the corresponding functional deficits. The simulation of the coupled mechanical and electrophysiological behaviors requires computational expensive calculations that increase in complexity as the network of the simulated cells grows. The solvers implemented in Neurite-explicit and implicit-were therefore parallelized using graphics processing units in order to reduce the burden of the simulation costs of large scale scenarios. Cable Theory and Hodgkin-Huxley models were implemented to account for the electrophysiological passive and active regions of a neurite, respectively, whereas a coupled mechanical model accounting for the neurite mechanical behavior within its surrounding medium was adopted as a link between lectrophysiology and mechanics (Jerusalem et al., 2013). This paper provides the details of the parallel implementation of Neurite, along with three different application examples: a long myelinated axon, a segmented dendritic tree, and a damaged axon. The capabilities of the program to deal with large scale scenarios, segmented neuronal structures, and functional deficits under mechanical loading are specifically highlighted.

Tower of Martín González or castle of La Raya (Soria): territory, history, defense and construction / La torre de Martín González o castillo de La Raya (Soria): territorio, historia, defensa y construcción

Abstract The Tower of Martín González, also known as castle of La Raya, is placed in the actual border between the Spanish provinces of Soria and Zaragoza and in the historical limit between the Crowns of Castile and Aragon: this is the reason for its name. The castle dominates the hedge of the plain-moors that surround the Valley of Nágima River. It is a castle with courtyard and a high tower in the western flank. The paper analyzes the castle in four main levels. All references about the castle are studied to draw a historical narration and to relate with the territory and other fortifications, both Castilian and Aragonese. Despite its advanced state of ruin, it preserves many rests that allow making an analysis of its defensive elements and constructive aspects. Resumen La torre de Martín González, también conocida como el castillo de La Raya, se sitúa en el límite actual entre las provincias de Soria y Zaragoza y en el límite histórico entre las coronas de Castilla y Aragón. Domina el extremo de los páramos que circundan el río Nágima. Es un castillo de tipo torrejón con patio de armas y una torre del homenaje adosada a su flanco occidental. El análisis contempla cuatro niveles fundamentales para el entendimiento de la arquitectura fortificada. La comunicación revisa la documentación existente sobre los elementos históricos que se ponen en relación, mediante el análisis territorial, con el sistema fortificado de frontera. A pesar de su avanzado estado de ruina, conserva restos que permiten realizar una lectura interpretativa de sus elementos defensivos y de sus aspectos constructivos.

A computational model coupling mechanics and electrophysiology in spinal cord injury

Traumatic brain injury and spinal cord injury have recently been put under the spotlight as major causes of death and disability in the developed world. Despite the important ongoing experimental and modeling campaigns aimed at understanding the mechanics of tissue and cell damage typically observed in such events, the differentiated roles of strain, stress and their corresponding loading rates on the damage level itself remain unclear. More specifically, the direct relations between brain and spinal cord tissue or cell damage, and electrophysiological functions are still to be unraveled. Whereas mechanical modeling efforts are focusing mainly on stress distribution and mechanistic-based damage criteria, simulated function-based damage criteria are still missing. Here, we propose a new multiscale model of myelinated axon associating electrophysiological impairment to structural damage as a function of strain and strain rate. This multiscale approach provides a new framework for damage evaluation directly relating neuron mechanics and electrophysiological properties, thus providing a link between mechanical trauma and subsequent functional deficits

Hacia una taxonomía constructiva de las tapias de tierra y fábricas encofradas históricas = Towards a constructive taxonomy of the historical rammed-earth and formwork masonry

El objetivo fundamental de la investigación es el estudio de los fundamentos constructivos de las fábricas históricas de tapia de tierra y mampostería encofrada de las fortificaciones bajomedievales. Ante las incertidumbres detectadas en la datación de estas estructuras y frente al excesivo número de excepciones que quedan fuera de las clasificaciones tradicionalmente empleadas para estudiar este tipo de técnicas, el artículo desarrolla una propuesta de tipología o taxonomía constructiva basada en un sistema abierto. Este sistema nace del análisis de un número significativo de fábricas y atiende a diversos parámetros de control para la completa caracterización de cada fábrica: material, grado de compactación, función constructiva, encofrado, acabado superficial, combinación de materiales y situación, profundidad, formación y sección de los agujales. Cada fábrica se clasifica mediante una etiqueta alfanumérica. El sistema permite establecer tipos constructivos con los que se genera una clasificación cronotipológica constructiva. ABSTRACT The principal aim of the research is the study of the constructive reasons of the historical masonries built with rammed earth and formwork masonry, belonging to late medieval fortifications. Uncertainties have been warned about dating the historical masonries and there are excessive exceptions that do not fall in the rankings traditionally employed to study these techniques. Due to these reasons, the article develops a proposal of constructive typology or taxonomy based in an open system that comes from the analysis of a representative number of masonries and that attends to several control parameters tor the complete characterization of each masonry: material, compaction degree, constructive function, formwork, rendering, combination of materials and, last, the situation, deepness, formation and section of the putlogholes. Each masonry is classified through an alphanumeric label. The system allows establishing several constructive types which it is possible to do a cronotypological and constructive classification.

Técnicas y materiales de la construcción fortificada altomedieval en el centro de la Península Ibérica: métodos de análisis a través de la arqueología y la historia de la construcción

Esta tesis doctoral tiene como objeto el acercamiento histórico-constructivo a la realidad material de las fortificaciones edificadas en el centro de la Península Ibérica durante los primeros siglos de la Edad Media. El marco geográfico se extiende desde el cauce del río Duero, delimitado por los valles de sus afluentes, el Duratón, al oeste, y el Escalote al este, hasta las cumbres del Sistema Central oriental en su entronque con el Ibérico, para descender por la falda sur de la sierra hasta los valles altos del Lozoya, Jarama y Henares. Siguiendo las demarcaciones actuales, el marco de estudio ocupa parcialmente las provincias de Soria, Guadalajara, Madrid, Segovia, Burgos y Valladolid. Desde un punto de vista cronológico, el espacio temporal se inicia con la conquista musulmana de la Península Ibérica de 711 y culmina con la incorporación definitiva al reino de Castilla de las zonas estudiadas, en torno al año 1150. Se trata de un espacio de transición, tanto desde el punto de vista social como ecológico. Los territorios al sur de la sierra correspondían a los confines septentrionales de la Marca Media de al-Andalus, mientras que la falta norte, los extrema durii, fueron un territorio escasamente poblado y desorganizado, foco de la expansión de los reinos de León y Castilla y zona de conflicto con al-Andalus a principios del siglo X. Un territorio tan amplio y heterogéneo, unido a una compleja evolución histórica y social y la parquedad de las fuentes escritas, ha necesitado de un acercamiento con una metodología de tipo mixto, en la que han convergido las técnicas propias de la documentación histórica, de la arqueología y de la historia de la construcción. Esta metodología parte de un exhaustivo vaciado bibliográfico, tras lo cual se planteó una prospección arqueológica dirigida que permitió realizar un catálogo de elementos fortificados en el área de estudio susceptibles de contener fases altomedievales. Sobre cada uno de los elementos localizados se realizó una toma de datos de tipo gráfico métrico y constructivo. Cruzando los datos recabados en cada edificio con técnicas propias de la estratigrafía e historia de la construcción se identificaron y aislaron las fases de la cronología analizada. Entre las fortificaciones que evidenciaron fases altomedievales y atendiendo a su singularidad, representatividad y calidad estratigráfica se ha profundizado en el análisis de nueve casos de estudio: el conjunto fortificado de Atienza, el castillo de Cogolludo, el recinto amurallado de Buitrago de Lozoya, el castillo de Caracena, la iglesia parroquial de la Inmaculada Concepción de Mezquetillas, la alcazaba de Gormaz, la torre de San Andrés de Sepúlveda, la iglesia parroquial de San Miguel de Ayllón y la fortificación rupestre de Alcolea de las Peñas. La investigación ha servido para dos fines principales. El primero se centra en el aspecto material. En este sentido no solo se ha identificado la presencia o ausencia de fases altomedievales en cado uno de los edificio lo que ha permitido realizar una lectura territorial, la caracterización de las diferentes técnicas y materiales constructivos y valorar la posibilidad de establecer una cronotipología. El segundo se centra en aspectos históricos y sociales. La vinculación de estos restos materiales con la documentación histórica ha devenido en un medio para conocer la historia de las gentes que construyeron estos edificios, la motivación que les llevó a emprender tales proyectos, así como el contexto en el que cada una de estas fortificaciones desempeñó las funciones para las que fue creada. Este estudio ha puesto de manifiesto la ruptura que supuso la ocupación estatal de esta zona por parte del ejército cordobés desde mediados del siglo X, tanto desde el punto de vista social como constructivo. Se ha podido documentar materialmente esta ocupación tras la restauración de Medinaceli, en torno a 946, y la sucedida tras la toma de Sepúlveda por parte de Almanzor en 984, diferenciándose claramente las técnicas constructivas propias de este momento, ejecutadas directamente por talleres foráneos, procedentes de Córdoba y Toledo. La posición estratigráfica de estas fábricas diagnósticas ha permito identificar fases constructivas inmediatamente anteriores y posteriores a este momento. También se ha podido comprobar la hipótesis inicial en relación a la pérdida de conocimientos constructivos durante el final de la Antigüedad y los primeros siglos del medievo en la zona estudiada. La sillería y la explotación de canteras, así como el ciclo productivo del ladrillo por completo, son recuperados sin recurrir a un sustrato tecnológico local, propiciados de manera efímera por la ocupación califal. Cuando se produce el desmembramiento del califato a partir del año 1010 estas técnicas se vuelven a abandonar. A finales del siglo XI y principios del siglo XII se produce un nuevo cambio en la construcción, recuperándose de nuevo estas técnicas de la mano del románico y del establecimiento de la red parroquial diocesana. En una zona y periodo histórico apenas explotado por la investigación, esta tesis doctoral busca no solo establecer una metodología de trabajo sino sentar las bases para futuros estudios, tanto desde el punto de vista particular, profundizando en el estudio constructivo y estratigráfico de cada uno de los elementos recogidos, como en otros aspectos más trasversales. ABSTRACT This doctoral thesis has a constructive historical material approach to the reality of the fortifications built in the center of the Iberian Peninsula during the first centuries of the middle Ages. The geographical framework extends from the Duero´s riverbed, bounded by the valleys of its tributaries, the Duratón on the west, and the Escalote on the east, until to the peaks of the eastern Central System at its connection with the Iberian, to descend the hillside of the mountain range to the high valleys of Lozoya, Jarama and Henares. Following the current demarcations under this framework study, partially cover the provinces of Soria, Guadalajara, Madrid, Segovia, Burgos and Valladolid. From a chronological point of view, the temporal space began with the Muslim conquest of the Iberian Peninsula in 711 A.D and ends with the final incorporation into the Kingdom of Castile in the studied areas, around the year 1150 A.D. It is a transitional gathering point, both socially and ecologically. The southern territories of the Sierra or mountain range corresponded to the northern boundaries of the Middle mark of al- Andalus , while the northern missing, the extrema Durii , were a disorganized sparsely populated territory and point of the expansion of the kingdoms of Leon and Castile and zone of conflict with al- Andalus at the beginning of the tenth century. Such a wide and diverse territory, connected with a complex historical, social evolution and the lack of written sources , has required an approach with a mixed type methodology, which have converged the techniques of historical documentation of the archeology and building history. This methodology comes from a comprehensive bibliographic study, after which an archaeological survey was directed that allowed building a fortified elements ‘catalog in the study area likely to contain high medieval period phases were raised. On each of the elements located one metric data collection and constructive graphic type was performed. Checking against the data collected in each building with its own history of stratigraphy and construction techniques and finally, they were identified and isolated the timing analysis phases. Among the early medieval fortifications that showed high period Medieval phases and according to its uniqueness , representativeness and stratigraphy’s quality of the nine case studies : the fortified complex of Atienza, Cogolludo Castle, the Buitrago de Lozoya´s walled enclosure , the Caracena´s castle , the Mezquetillas´ parish church, the Gormaz´s fortress, the San Andres toser in Sepulveda, the church of San Miguel de Ayllón and the Alcolea de las Peñas´ rock fortress. This research study has served two main purposes. The first focuses on the material side. In this sense it does not only identified the presence or absence of early medieval period phases in each one of the building, which has allowed a territorial reading and the characterization of the different construction techniques and materials, but it also assess the possibility of establishing a chrono–typology. The second focuses on historical and social aspects. The bound of these materials remains with the historical documentation has become a means to know the history of the people who built these buildings, the motivation that led them to undertake such projects as well as the context in which each of these fortifications played the functions for which it was created. This study has revealed the breach that led to the state occupation of the Cordovan army in this area by since mid-tenth century, from the social point of view and also from the structural one. It has been materially document this occupation after the restoration of Medinaceli, around 946, and succeeded after taking Sepulveda by Almanzor in 984, clearly differentiating their own building techniques currently implemented directly by foreign workshops, from Cordova and Toledo. The stratigraphic position of these factories has made it possible to identify earlier and later construction phases at this time. It has also been able to verify the initial hypothesis in relation with constructive knowledge loss during late antiquity and early medieval centuries in the studied area. Also ashlar, masonries as well as the brick production is recovered without resorting to a local technological substrate, fleetingly brought about by the Caliphate occupation. When the dismemberment of the Caliphate is produced from the year 1010 these techniques were abandoned again. In the late eleventh and early twelfth century these techniques are recovered from Romanesque and a new change came, also from the establishment of the diocesan parish network. In one historical period that has been hardly exploited by research, this thesis seeks not only to establish a working methodology but lay the groundwork for future studies, both from the particular point of view, paying special attention in the constructive and stratigraphic studies of each of the evidence collected , and additionally in other more transversal aspects.