Characterisation of the operation & maintenance phase in PV rural electrification programmes

Con 1.300 millones de personas en el mundo sin acceso a la electricidad (la mayoría en entornos rurales de países empobrecidos), la energía solar fotovoltaica constituye una solución viable técnica y económicamente para electrificar las zonas más remotas del planeta donde las redes eléctricas convencionales no llegan. Casi todos los países en el mundo han desarrollado algún tipo de programa de electrificación fotovoltaica rural durante los últimos 40 años, principalmente los países más pobres, donde a través de diferentes modelos de financiación, se han instalado millones de sistemas solares domiciliarios (pequeños sistemas fotovoltaicos para uso doméstico). Durante este largo período, se han ido superando muchas barreras, como la mejora de la calidad de los sistemas fotovoltaicos, la reducción de costes, la optimización del diseño y del dimensionado de los sistemas, la disponibilidad financiera para implantar programas de electrificación rural, etc. Gracias a esto, la electrificación rural descentralizada ha experimentado recientemente un salto de escala caracterizada por la implantación de grandes programas con miles de sistemas solares domiciliarios e integrando largos períodos de mantenimiento. Muchos de estos grandes programas se están llevando a cabo con limitado éxito, ya que generalmente parten de supuestos e hipótesis poco contrastadas con la realidad, comprometiendo así un retorno económico que permita el desarrollo de esta actividad a largo plazo. En este escenario surge un nuevo reto: el de cómo garantizar la sostenibilidad de los grandes programas de electrificación rural fotovoltaica. Se argumenta que la principal causa de esta falta de rentabilidad es el imprevisto alto coste de la fase de operación y mantenimiento. Cuestiones clave tales como la estructura de costes de operación y mantenimiento o la fiabilidad de los componentes del sistema fotovoltaico no están bien caracterizados hoy en día. Esta situación limita la capacidad de diseñar estructuras de mantenimiento capaces de asegurar la sostenibilidad y la rentabilidad del servicio de operación y mantenimiento en estos programas. Esta tesis doctoral tiene como objetivo responder a estas cuestiones. Se ha realizado varios estudios sobre la base de un gran programa de electrificación rural fotovoltaica real llevado a cabo en Marruecos con más de 13.000 sistemas solares domiciliarios instalados. Sobre la base de este programa se ha hecho una evaluación en profundidad de la fiabilidad de los sistemas solares a partir de los datos de mantenimiento recogidos durante 5 años con más de 80.000 inputs. Los resultados han permitido establecer las funciones de fiabilidad de los equipos tal y como se comportan en condiciones reales de operación, las tasas de fallos y los tiempos medios hasta el fallo para los principales componentes del sistema, siendo este el primer caso de divulgación de resultados de este tipo en el campo de la electrificación rural fotovoltaica. Los dos principales componentes del sistema solar domiciliario, la batería y el módulo fotovoltaico, han sido analizados en campo a través de una muestra de 41 sistemas trabajando en condiciones reales pertenecientes al programa solar marroquí. Por un lado se ha estudiado la degradación de la capacidad de las baterías y por otro la degradación de potencia de los módulos fotovoltaicos. En el caso de las baterías, los resultados nos han permitido caracterizar la curva de degradación en capacidad llegando a obtener una propuesta de nueva definición del umbral de vida útil de las baterías en electrificación rural. También sobre la base del programa solar de Marruecos se ha llevado a cabo un estudio de caracterización de los costes reales de operación y mantenimiento a partir de la base de datos de contabilidad del programa registrados durante 5 años. Los resultados del estudio han permitido definir cuáles son costes que más incidencia tienen en el coste global. Se han obtenido los costes unitarios por sistema instalado y se han calculado los montantes de las cuotas de mantenimiento de los usuarios para garantizar la rentabilidad de la operación y mantenimiento. Finalmente, se propone un modelo de optimización matemática para diseñar estructuras de mantenimiento basado en los resultados de los estudios anteriores. La herramienta, elaborada mediante programación lineal entera mixta, se ha aplicado al programa marroquí con el fin de validar el modelo propuesto. ABSTRACT With 1,300 million people worldwide deprived of access to electricity (mostly in rural environments), photovoltaic solar energy has proven to be a cost‐effective solution and the only hope for electrifying the most remote inhabitants of the planet, where conventional electric grids do not reach because they are unaffordable. Almost all countries in the world have had some kind of rural photovoltaic electrification programme during the past 40 years, mainly the poorer countries, where through different organizational models, millions of solar home systems (small photovoltaic systems for domestic use) have been installed. During this long period, many barriers have been overcome, such as quality enhancement, cost reduction, the optimization of designing and sizing, financial availability, etc. Thanks to this, decentralized rural electrification has recently experienced a change of scale characterized by new programmes with thousands of solar home systems and long maintenance periods. Many of these large programmes are being developed with limited success, as they have generally been based on assumptions that do not correspond to reality, compromising the economic return that allows long term activity. In this scenario a new challenge emerges, which approaches the sustainability of large programmes. It is argued that the main cause of unprofitability is the unexpected high cost of the operation and maintenance of the solar systems. In fact, the lack of a paradigm in decentralized rural services has led to many private companies to carry out decentralized electrification programmes blindly. Issues such as the operation and maintenance cost structure or the reliability of the solar home system components have still not been characterized. This situation does not allow optimized maintenance structure to be designed to assure the sustainability and profitability of the operation and maintenance service. This PhD thesis aims to respond to these needs. Several studies have been carried out based on a real and large photovoltaic rural electrification programme carried out in Morocco with more than 13,000 solar home systems. An in‐depth reliability assessment has been made from a 5‐year maintenance database with more than 80,000 maintenance inputs. The results have allowed us to establish the real reliability functions, the failure rate and the main time to failure of the main components of the system, reporting these findings for the first time in the field of rural electrification. Both in‐field experiments on the capacity degradation of batteries and power degradation of photovoltaic modules have been carried out. During the experiments both samples of batteries and modules were operating under real conditions integrated into the solar home systems of the Moroccan programme. In the case of the batteries, the results have enabled us to obtain a proposal of definition of death of batteries in rural electrification. A cost assessment of the Moroccan experience based on a 5‐year accounting database has been carried out to characterize the cost structure of the programme. The results have allowed the major costs of the photovoltaic electrification to be defined. The overall cost ratio per installed system has been calculated together with the necessary fees that users would have to pay to make the operation and maintenance affordable. Finally, a mathematical optimization model has been proposed to design maintenance structures based on the previous study results. The tool has been applied to the Moroccan programme with the aim of validating the model.

Los paisajes del desecho: reactivación de los lugares del deterioro

Actualmente en nuestro planeta producimos 1.300 millones de toneladas de residuos urbanos al año. Si los extendemos sobre la superficie de un cuadrado de lado 100 m (una hectárea) alcanzarían una altura de 146 km. ¿Cuál es el origen de nuestros residuos? ¿A dónde va esta basura? ¿Cómo nos afecta? ¿Tiene alguna utilidad? Se trata de un problema antiguo que, en los últimos tiempos, ha adquirido una nueva dimensión por el tipo y la cantidad de residuos generados. Las primeras preocupaciones de la ciudad por ordenar estos problemas dieron lugar al establecimiento de espacios o lugares específicos para la acumulación de los residuos urbanos: los vertederos. Los desechos hoy se generan más rápidamente que los medios disponibles para reciclarlos o tratarlos. Los vertederos de residuos urbanos son y seguirán siendo, a corto y medio plazo, soluciones válidas por ser un método de gestión relativamente barato, sobre todo en los países en vías de desarrollo. Como consecuencia y necesidad de lo anterior, se plantea demostrar que la recuperación y la transformación de estos vertederos de residuos urbanos (lugares del deterioro), una vez abandonados, es posible y que además pueden dar lugar a nuevos espacios públicos estratégicos de la ciudad contemporánea. Son espacios de oportunidad, vacíos monumentales producto de una reactivación arquitectónica y paisajística realizada a partir de complejos procesos de ingeniería medioambiental. Pero las soluciones aplicadas a los vertederos de residuos urbanos desde mediados del siglo XX se han realizado exclusivamente desde la ingeniería para tratar de resolver cuestiones técnicas, un modelo agotado que ya no puede gestionar la magnitud que este problema ha alcanzado, haciéndose necesaria e inevitable la participación de la arquitectura para abrir nuevas líneas de investigación y de acción. En estos primeros compases del siglo XXI existe una “nueva” preocupación, un “nuevo” interés en los paradigmas de lo ecológico y de la sostenibilidad, también un interés filosófico (que igualmente otorga un nuevo valor al residuo como recurso), que dirigen su mirada hacia un concepto de paisaje abierto y diferente a modelos anteriores más estáticos, recuperando como punto de partida el ideal pintoresco. El landscape urbanism se consolida como una disciplina capaz de dar respuesta a lo natural y artificial simultáneamente, que sustituye a las herramientas tradicionales de la arquitectura para solucionar los problemas de la ciudad contemporánea, incorporando las infraestructuras de gran escala, como un vertedero de residuos urbanos, y los paisajes públicos que generan como el verdadero mecanismo de organización del urbanismo de hoy. No se trata solo de un modelo formal sino, lo que es más importante: de un modelo de procesos. Esta nueva preocupación permite abordar la cuestión del paisaje de manera amplia, sin restricciones, con un alto grado de flexibilidad en las nuevas propuestas que surgen como consecuencia de estos conceptos, si bien los esfuerzos, hasta la fecha, parecen haberse dirigido más hacia el fenómeno de lo estético, quedando todavía por explorar las consecuencias políticas, sociales, económicas y energéticas derivadas de los residuos. También las arquitectónicas. El proyecto del landscape urbanism se ocupa de la superficie horizontal, del plano del suelo. Desde siempre, la preparación de este plano para desarrollar cualquier actividad humana ha sido un gesto fundacional, un gesto propio necesario de toda arquitectura, que además ahora debe considerarlo como un medio o soporte biológicamente activo. En términos contemporáneos, el interés disciplinar radica en la continuidad y en la accesibilidad del suelo, diluyendo los límites; en que funcione a largo plazo, que se anticipe al cambio, a través de la flexibilidad y de la capacidad de negociación, y que sea público. La recuperación de un vertedero de residuos urbanos ofrece todas estas condiciones. Un breve recorrido por la historia revela los primeros ejemplos aislados de recuperación de estos lugares del deterioro, que han pasado por distintas fases en función de la cantidad y el tipo de los desechos producidos, evolucionando gracias a la tecnología y a una nueva mirada sobre el paisaje, hasta desarrollar una verdadera conciencia de lo ecológico (nacimiento de una ideología). El Monte Testaccio en Roma (siglos I-III d.C.) constituye un caso paradigmático y ejemplar de vertedero planificado a priori no solo como lugar en el que depositar los residuos, sino como lugar que será recuperado posteriormente y devuelto a la ciudad en forma de espacio público. Una topografía de desechos generada por acumulación, organizada y planificada durante tres siglos, que nos hace reflexionar sobre los temas de producción, consumo y proyecto arquitectónico. El Monte Testaccio revela una fuente de inspiración, un arquetipo de gestión sostenible de los recursos y del territorio. A través de la experiencia en la recuperación y transformación en espacios públicos de casos contemporáneos, como el antiguo vertedero de Valdemingómez en Madrid o el de El Garraf en Barcelona, se han analizado las técnicas y las soluciones empleadas para establecer nuevas herramientas de proyecto planteadas en clave de futuro, que revelan la importancia de los procesos frente a la forma, en los cuales intervienen muchos factores (tanto naturales como artificiales), entre ellos la vida y el tiempo de la materia viva acumulada. Son lugares para nuevas oportunidades y ejemplos de una nueva relación con la naturaleza. La reactivación de los vertederos de residuos, a través del proyecto, nos propone una nueva topografía construida en el tiempo, el suelo como soporte, como punto de encuentro de la naturaleza y los sistemas tecnológicos de la ciudad que posibilitan nuevos modos de vida y nuevas actividades. Los vertederos de residuos son inmensas topografías naturales surgidas de procesos artificiales, atalayas desde las que divisar un nuevo horizonte, un nuevo mundo, un nuevo futuro donde sea posible lograr la reversibilidad de nuestros actos del deterioro. Pero la voluntad de estas recuperaciones y transformaciones no consiste exclusivamente en su reintegración al paisaje, sino que han servido como muestra de las nuevas actitudes que la sociedad ha de emprender en relación a los temas medio ambientales. ABSTRACT Here on our planet we currently produce 1.3 billion tonnes of urban waste per year. If we were to spread this over a surface of 100m2 (one hectare), it would reach a height of 146km. What is the origin of this waste? Where does our refuse go? How does it affect us? Does it have any uses? We are dealing with an old problem which, in recent times, has taken on a new dimension due to the type of waste and the amount generated. Cities’ first concerns in resolving these problems gave rise to the establishment of areas or specific places for the accumulation of urban waste: landfills. These days, waste is generated more quickly than the available resources can recycle or process it. Urban waste landfills are and will continue to be, in the short and mid-term, valid solutions, given that they constitute a relatively cheap method for waste management, especially in developing countries. Consequently and necessarily, we plan to demonstrate that it is possible to recover and transform these urban waste landfills (areas of deterioration) once they have been abandoned and that they can give rise to new strategic public areas in contemporary cities. They are areas of opportunity, monumental vacancies produced by an architectural reactivation of the landscape, which is achieved using complex processes of environmental engineering. But the solutions applied to urban waste landfills throughout the 20th century have used engineering exclusively in the attempt to resolve the technical aspects. This is a worn-out model which can no longer handle the magnitude which the problem has attained and therefore, there is an inevitable need for the participation of architecture, which can open new lines of research and action. In these first steps into the 21st century, there is a “new” concern, a “new” interest in the paradigms of environmentalism and sustainability. There is also a philosophical interest (which assigns the new value of ‘resource’ to waste) and all is aimed towards the concept of an open landscape, unlike the previous, more static models, and the intention is to recover picturesque ideals as the starting point. Landscape urbanism has been established as a discipline capable of simultaneously responding to the natural and the artificial, replacing the traditional tools of architecture in order to resolve contemporary cities’ problems. It incorporates large scale infrastructures, such as urban waste landfills, and public landscapes which are generated as the true organisational mechanism of modern day urbanism. It is not merely a formal model, it is more important than that: it is a model of processes. This new concern allows us to address the matter of landscape in a broad way, without restrictions, and with a great degree of flexibility in the new proposals which come about as a consequence of these concepts. However, efforts to date seem to have been more directed at aesthetic aspects and we have yet to explore the political, social, economic and energetic consequences derived from waste – nor have we delved into the architectural consequences. The landscape urbanism project is involved with the horizontal surface, the ground plane. Traditionally, the preparation of this plane for the development of any human activity has been a foundational act, a necessary act of all architecture, but now this plane must be considered as a biologically active medium or support. In contemporary terms, the discipline’s interest lies in the continuity and accessibility of the land, diffusing the limits; in long term functionality; in the anticipation of change, via flexibility and the ability to negotiate; and in it being a public space. The recovery of an urban waste landfill offers all of these conditions. A brief look through history reveals the first isolated examples of recovery of these spaces of deterioration. They have gone through various phases based on the quantity and type of waste produced, they have evolved thanks to technology and a new outlook on the landscape, and a real environmental awareness has been developed (the birth of an ideology). Monte Testaccio in Rome (1st to 3rd Century AD) constitutes a paradigmatic and exemplary case of a landfill that was planned a priori not only as a place to deposit waste but also as a place that would be subsequently recovered and given back to the city in the form of a public space. This spoil mound, generated by organised and planned accumulation over three centuries, makes us reflect on the themes of production, consumption and architectural planning. Monte Testaccio reveals a source of inspiration, an archetype of the sustainable management of resources and land. Using our experience of contemporary cases of land recovery and its transformation into public spaces, such as the former Valdemingómez landfill in Madrid or the Garraf in Barcelona, we analysed the techniques and solutions used in order to establish new project tools. These are proposed with an eye on the future, seeing as they reveal the importance of the processes over the form and involve many factors (both natural and artificial), including the life and age of the accumulated living matter. They are places for new opportunities and examples of our new relationship with nature. The reactivation of landfills, via this project, is a proposal for a new topography built within time, using the ground as the support, as the meeting point between nature and the technological systems of the city which make it possible for new ways of life and new activities to come about. Landfills are immense natural topographical areas produced by artificial processes, watchtowers from which to discern a new horizon, a new world, a new future in which it will be possible to reverse our acts of deterioration. But the intention behind these recoveries and transformations does not only hope for landscape reintegration but it also hopes that they will also serve as a sign of the new attitudes that must be adopted by society with regard to environmental matters.

Estudio experimental del Sistema de Albañilería Integral en la construcción de viviendas sismorresistentes. Experimental study of the Integral Masonry System in the construction of earthquake resistant houses

This paper presents the application of the Integral Masonry System (IMS) to the construction of earthquake resistant houses and its experimental study. To verify the security of this new type of building in seismic areas of the third world two prototypes have been tested, one with adobe and the other with hollow brick. In both cases it’s a two-story 6x6x6 m3 house built to scale 1/2. The tests are carried out at the Laboratory of Antiseismic Structures of the Department of Engineering, Pontifical Catholic University of Peru in Lima, in collaboration with the UPM (Technical University of Madrid). This article shows the design process of the prototypes to test, including the sizing of the reinforcements, the characteristics of the tests and the results obtained. These results show that the IMS with adobe or brick remains stable with no significant cracks faced with a severe earthquake, with an estimated acceleration of 1.8 g. Este artículo presenta una aplicación del Sistema de Albañilería Integral (SAI) a la construcción de viviendas sismorresistentes y su estudio experimental. Para verificar su seguridad para su construcción en zonas sísmicas del tercer mundo se han ensayado dos prototipos, uno con adobe, y otro con ladrillo hueco. Se trata de una vivienda de 6x6x6 m3 y dos plantas que se construyen a escala 1/2. Los ensayos se realizaron en el Laboratorio de Estructuras Antisísmicas del Departamento de Ingeniería de la Pontificia Católica Universidad del Perú (PUCP) de Lima en colaboración con la UPM (Universidad Politécnica de Madrid). Este artículo muestra el proceso de diseño de los prototipos a ensayar, incluido el dimensionado de los refuerzos, las características de los ensayos y los resultados obtenidos. Estos resultados muestran que el SAI con adobe o ladrillo permanece estable sin grietas significativas ante un sismo severo, con una aceleración estimada de 1,8 g.

Fractal scaling of apparent soil moisture estimated from vertical planes of Vertisol pit images

Image analysis could be a useful tool for investigating the spatial patterns of apparent soil moisture at multiple resolutions. The objectives of the present work were (i) to define apparent soil moisture patterns from vertical planes of Vertisol pit images and (ii) to describe the scaling of apparent soil moisture distribution using fractal parameters. Twelve soil pits (0.70 m long × 0.60 m width × 0.30 m depth) were excavated on a bare Mazic Pellic Vertisol. Six of them were excavated in April/2011 and six pits were established in May/2011 after 3 days of a moderate rainfall event. Digital photographs were taken from each Vertisol pit using a Kodak™ digital camera. The mean image size was 1600 × 945 pixels with one physical pixel ≈373 μm of the photographed soil pit. Each soil image was analyzed using two fractal scaling exponents, box counting (capacity) dimension (DBC) and interface fractal dimension (Di), and three prefractal scaling coefficients, the total number of boxes intercepting the foreground pattern at a unit scale (A), fractal lacunarity at the unit scale (Λ1) and Shannon entropy at the unit scale (S1). All the scaling parameters identified significant differences between both sets of spatial patterns. Fractal lacunarity was the best discriminator between apparent soil moisture patterns. Soil image interpretation with fractal exponents and prefractal coefficients can be incorporated within a site-specific agriculture toolbox. While fractal exponents convey information on space filling characteristics of the pattern, prefractal coefficients represent the investigated soil property as seen through a higher resolution microscope. In spite of some computational and practical limitations, image analysis of apparent soil moisture patterns could be used in connection with traditional soil moisture sampling, which always renders punctual estimates

Fractal scaling of apparent soil moisture estimated from vertical planesof Vertisol pit images

Image analysis could be a useful tool for investigating the spatial patterns of apparent soil moisture at multiple resolutions. The objectives of the present work were (i) to define apparent soil moisture patterns from vertical planes of Vertisol pit images and (ii) to describe the scaling of apparent soil moisture distribution using fractal parameters. Twelve soil pits (0.70 m long × 0.60 m width × 0.30 m depth) were excavated on a bare Mazic Pellic Vertisol. Six of them were excavated in April/2011 and six pits were established in May/2011 after 3 days of a moderate rainfall event. Digital photographs were taken from each Vertisol pit using a Kodak? digital camera. The mean image size was 1600 × 945 pixels with one physical pixel ?373 ?m of the photographed soil pit. Each soil image was analyzed using two fractal scaling exponents, box counting (capacity) dimension (DBC) and interface fractal dimension (Di), and three prefractal scaling coefficients, the total number of boxes intercepting the foreground pattern at a unit scale (A), fractal lacunarity at the unit scale (?1) and Shannon entropy at the unit scale (S1). All the scaling parameters identified significant differences between both sets of spatial patterns. Fractal lacunarity was the best discriminator between apparent soil moisture patterns. Soil image interpretation with fractal exponents and prefractal coefficients can be incorporated within a site-specific agriculture toolbox. While fractal exponents convey information on space filling characteristics of the pattern, prefractal coefficients represent the investigated soil property as seen through a higher resolution microscope. In spite of some computational and practical limitations, image analysis of apparent soil moisture patterns could be used in connection with traditional soil moisture sampling, which always renders punctual estimates.

Great roof marquee in the new railway station for high speed trains of Málaga

The new railway station of María Zambrano for AVE (Spanish high-speed trains) located in Malaga, has been inaugurated in November 2006, just on the site of the former railway station. The new railway station with an investment of 134.7 million Euros occupies a surface of 51.377 m2, five times the surface of the former station. The enclosure is the biggest intermodal transport and commercial center of Spain which comprises a parking of 21,000 m2 for 1,300 parking places, one commercial area and a hotel of 35 m height, with a total extension constructed of approximately 100,000 m2.

Reproducing the Bolund experiment in wind tunnel

The Bolund experiment has been reproduced in a neutral boundary layer wind tunnel (WT) at scale 1:115 for two Reynolds numbers. All the results have been obtained for an incoming flow from the 270o wind direction (transect B in the Bolund experiment jargon). Vertical scans of the velocity field are obtained using non-time resolved two components particle image velocimetry. Time-resolved velocity time series with a three component hot-wire probe have been also measured for transects at 2 and 5 m height and in the vertical transects at met masts M6, M3 and M8 locations. Special attention has been devoted to the detailed characterization of the inflow in order to reduce uncertainties in future comparisons with other physical and numerical simulations. Emphasis is placed on the analysis of spectral functions of the undisturbed flow and those of the flow above the island. The result?s reproducibility and trustworthiness have been addressed through redundancy measurements using particle image velocimetry, two and three components hot-wire anemometry. The bias in the prediction of the mean speed is similar to the one reported during the Bolund experiment by the physical modellers. However, certain reduction of the bias in the estimation of the turbulent kinetic energy is achieved. TheWT results of spectra and cosprectra have revealed a behaviour similar to the full-scale measurements in some relevant locations, showing that WT modelling can contribute to provide valid information about these important structural loading factors.

Poscosecha de Precisión en los Albores del siglo XXI

Según la FAO (Gustavsson et al., 2011) todos los años un tercio de los alimentos producidos para consumo humano se pierden o desperdician. En su informe de 2011 ?Pérdidas y desperdicio de alimentos en el mundo?, este organismo cifra en 1.300 millones de toneladas los alimentos que no llegan al consumidor final. Las altas pérdidas que se producen también en los procesos poscosecha en forma de derrames, de disminución de la calidad y/o acortamiento de la vida útil de frutas y hortalizas justifican la necesidad de invertir en el manejo y procedimientos poscosecha antes de pensar incluso en el incremento de las superficies de cultivo (Yahla, 2009).

Evaluación de la seguridad al deslizamiento de una presa de fábrica en un cimiento con una familia de discontinuidades y con un criterio de rotura con ley de fluencia no asociada

En España existen del orden de 1,300 grandes presas, de las cuales un 20% fueron construidas antes de los años 60. El hecho de que existan actualmente una gran cantidad de presas antiguas aún en operación, ha producido un creciente interés en reevaluar su seguridad empleando herramientas nuevas o modificadas que incorporan modelos de fallo teóricos más completos, conceptos geotécnicos más complejos y nuevas técnicas de evaluación de la seguridad. Una manera muy común de abordar el análisis de estabilidad de presas de gravedad es, por ejemplo, considerar el deslizamiento a través de la interfase presa-cimiento empleando el criterio de rotura lineal de Mohr-Coulomb, en donde la cohesión y el ángulo de rozamiento son los parámetros que definen la resistencia al corte de la superficie de contacto. Sin embargo la influencia de aspectos como la presencia de planos de debilidad en el macizo rocoso de cimentación; la influencia de otros criterios de rotura para la junta y para el macizo rocoso (ej. el criterio de rotura de Hoek-Brown); las deformaciones volumétricas que ocurren durante la deformación plástica en el fallo del macizo rocoso (i.e., influencia de la dilatancia) no son usualmente consideradas durante el diseño original de la presa. En este contexto, en la presente tesis doctoral se propone una metodología analítica para el análisis de la estabilidad al deslizamiento de presas de hormigón, considerando un mecanismo de fallo en la cimentación caracterizado por la presencia de una familia de discontinuidades. En particular, se considera la posibilidad de que exista una junta sub-horizontal, preexistente y persistente en el macizo rocoso de la cimentación, con una superficie potencial de fallo que se extiende a través del macizo rocoso. El coeficiente de seguridad es entonces estimado usando una combinación de las resistencias a lo largo de los planos de rotura, cuyas resistencias son evaluadas empleando los criterios de rotura no lineales de Barton y Choubey (1977) y Barton y Bandis (1990), a lo largo del plano de deslizamiento de la junta; y el criterio de rotura de Hoek y Brown (1980) en su versión generalizada (Hoek et al. 2002), a lo largo del macizo rocoso. La metodología propuesta también considera la influencia del comportamiento del macizo rocoso cuando este sigue una ley de flujo no asociada con ángulo de dilatancia constante (Hoek y Brown 1997). La nueva metodología analítica propuesta es usada para evaluar las condiciones de estabilidad empleando dos modelos: un modelo determinista y un modelo probabilista, cuyos resultados son el valor del coeficiente de seguridad y la probabilidad de fallo al deslizamiento, respectivamente. El modelo determinista, implementado en MATLAB, es validado usando soluciones numéricas calculadas mediante el método de las diferencias finitas, empleando el código FLAC 6.0. El modelo propuesto proporciona resultados que son bastante similares a aquellos calculados con FLAC; sin embargo, los costos computacionales de la formulación propuesta son significativamente menores, facilitando el análisis de sensibilidad de la influencia de los diferentes parámetros de entrada sobre la seguridad de la presa, de cuyos resultados se obtienen los parámetros que más peso tienen en la estabilidad al deslizamiento de la estructura, manifestándose además la influencia de la ley de flujo en la rotura del macizo rocoso. La probabilidad de fallo es obtenida empleando el método de fiabilidad de primer orden (First Order Reliability Method; FORM), y los resultados de FORM son posteriormente validados mediante simulaciones de Monte Carlo. Los resultados obtenidos mediante ambas metodologías demuestran que, para el caso no asociado, los valores de probabilidad de fallo se ajustan de manera satisfactoria a los obtenidos mediante las simulaciones de Monte Carlo. Los resultados del caso asociado no son tan buenos, ya que producen resultados con errores del 0.7% al 66%, en los que no obstante se obtiene una buena concordancia cuando los casos se encuentran en, o cerca de, la situación de equilibrio límite. La eficiencia computacional es la principal ventaja que ofrece el método FORM para el análisis de la estabilidad de presas de hormigón, a diferencia de las simulaciones de Monte Carlo (que requiere de al menos 4 horas por cada ejecución) FORM requiere tan solo de 1 a 3 minutos en cada ejecución. There are 1,300 large dams in Spain, 20% of which were built before 1960. The fact that there are still many old dams in operation has produced an interest of reevaluate their safety using new or updated tools that incorporate state-of-the-art failure modes, geotechnical concepts and new safety assessment techniques. For instance, for gravity dams one common design approach considers the sliding through the dam-foundation interface, using a simple linear Mohr-Coulomb failure criterion with constant friction angle and cohesion parameters. But the influence of aspects such as the persistence of joint sets in the rock mass below the dam foundation; of the influence of others failure criteria proposed for rock joint and rock masses (e.g. the Hoek-Brown criterion); or the volumetric strains that occur during plastic failure of rock masses (i.e., the influence of dilatancy) are often no considered during the original dam design. In this context, an analytical methodology is proposed herein to assess the sliding stability of concrete dams, considering an extended failure mechanism in its rock foundation, which is characterized by the presence of an inclined, and impersistent joint set. In particular, the possibility of a preexisting sub-horizontal and impersistent joint set is considered, with a potential failure surface that could extend through the rock mass; the safety factor is therefore computed using a combination of strength along the rock joint (using the nonlinear Barton and Choubey (1977) and Barton and Bandis (1990) failure criteria) and along the rock mass (using the nonlinear failure criterion of Hoek and Brown (1980) in its generalized expression from Hoek et al. (2002)). The proposed methodology also considers the influence of a non-associative flow rule that has been incorporated using a (constant) dilation angle (Hoek and Brown 1997). The newly proposed analytical methodology is used to assess the dam stability conditions, employing for this purpose the deterministic and probabilistic models, resulting in the sliding safety factor and the probability of failure respectively. The deterministic model, implemented in MATLAB, is validated using numerical solution computed with the finite difference code FLAC 6.0. The proposed deterministic model provides results that are very similar to those computed with FLAC; however, since the new formulation can be implemented in a spreadsheet, the computational cost of the proposed model is significantly smaller, hence allowing to more easily conduct parametric analyses of the influence of the different input parameters on the dam’s safety. Once the model is validated, parametric analyses are conducting using the main parameters that describe the dam’s foundation. From this study, the impact of the more influential parameters on the sliding stability analysis is obtained and the error of considering the flow rule is assessed. The probability of failure is obtained employing the First Order Reliability Method (FORM). The probabilistic model is then validated using the Monte Carlo simulation method. Results obtained using both methodologies show good agreement for cases in which the rock mass has a nonassociate flow rule. For cases with an associated flow rule errors between 0.70% and 66% are obtained, so that the better adjustments are obtained for cases with, or close to, limit equilibrium conditions. The main advantage of FORM on sliding stability analyses of gravity dams is its computational efficiency, so that Monte Carlo simulations require at least 4 hours on each execution, whereas FORM requires only 1 to 3 minutes on each execution.

Modelo para la integración del trazado de infraestructuras lineales en el paisaje y el medio ambiente basado en SIG

El análisis de las diferentes alternativas en la planificación y diseño de corredores y trazados de carreteras debe basarse en la correcta definición de variables territoriales que sirvan como criterios para la toma de decisión y esto requiere un análisis ambiental preliminar de esas variables de calidad. En España, los estudios de viabilidad de nuevas carreteras y autovías están asociados a una fase del proceso de decisión que se corresponde con el denominado Estudio Informativo, el cual establece condicionantes físicos, ambientales, de uso del suelo y culturales que deben ser considerados en las primeras fases de la definición del trazado de un corredor de carretera. Así, la metodología más frecuente es establecer diferentes niveles de capacidad de acogida del territorio en el área de estudio con el fin de resumir las variables territoriales en mapas temáticos y facilitar el proceso de trazado de las alternativas de corredores de carretera. El paisaje es un factor limitante a tener en cuenta en la planificación y diseño de carreteras y, por tanto, deben buscarse trazados más sostenibles en relación con criterios estéticos y ecológicos del mismo. Pero este factor no es frecuentemente analizado en los Estudios Informativos e incluso, si es considerado, los estudios específicos de la calidad del paisaje (estético y ecológico) y de las formas del terreno no incorporan las recomendaciones de las guías de trazado para evitar o reducir los impactos en el paisaje. Además, los mapas de paisaje que se generan en este tipo de estudios no se corresponden con la escala de desarrollo del Estudio Informativo (1:5.000). Otro déficit común en planificación de corredores y trazados de carreteras es que no se tiene en cuenta la conectividad del paisaje durante el proceso de diseño de la carretera para prevenir la afección a los corredores de fauna existentes en el paisaje. Este déficit puede originar un posterior efecto barrera en los movimientos dispersivos de la fauna y la fragmentación de sus hábitats debido a la ocupación parcial o total de las teselas de hábitats con importancia biológica para la fauna (o hábitats focales) y a la interrupción de los corredores de fauna que concentran esos movimientos dispersivos de la fauna entre teselas. El objetivo principal de esta tesis es mejorar el estudio del paisaje para prevenir su afección durante el proceso de trazado de carreteras, facilitar la conservación de los corredores de fauna (o pasillos verdes) y la localización de medidas preventivas y correctoras en términos de selección y cuantificación de factores de idoneidad a fin de reducir los impactos visuales y ecológicos en el paisaje a escala local. Concretamente, la incorporación de valores cuantitativos y bien justificados en el proceso de decisión permite incrementar la transparencia en el proceso de diseño de corredores y trazados de carreteras. Con este fin, se han planteado cuatro preguntas específicas en esta investigación (1) ¿Cómo se seleccionan y evalúan los factores territoriales limitantes para localizar una nueva carretera por los profesionales españoles de planificación del territorio en relación con el paisaje? (2) ¿Cómo pueden ser definidos los corredores de fauna a partir de factores del paisaje que influyen en los movimientos dispersivos de la fauna? (3) ¿Cómo pueden delimitarse y evaluarse los corredores de fauna incluyendo el comportamiento parcialmente errático en los movimientos dispersivos de la fauna y el efecto barrera de los elementos antrópicos a una escala local? (4) ¿Qué y cómo las recomendaciones de diseño de carreteras relacionadas con el paisaje y las formas del terreno pueden ser incluidas en un modelo de Sistemas de Información Geográfica (SIG) para ayudar a los ingenieros civiles durante el proceso de diseño de un trazado de carreteras bajo el punto de vista de la sostenibilidad?. Esta tesis doctoral propone nuevas metodologías que mejoran el análisis visual y ecológico del paisaje utilizando indicadores y modelos SIG para obtener alternativas de trazado que produzcan un menor impacto en el paisaje. Estas metodologías fueron probadas en un paisaje heterogéneo con una alta tasa de densidad de corzo (Capreolus capreolus L.), uno de los grandes mamíferos más atropellados en la red de carreteras españolas, y donde está planificada la construcción de una nueva autovía que atravesará la mitad del área de distribución del corzo. Inicialmente, se han analizado las variables utilizadas en 22 estudios de proyectos de planificación de corredores de carreteras promovidos por el Ministerio de Fomento entre 2006 y 2008. Estas variables se agruparon según condicionantes físicos, ambientales, de usos del suelo y culturales con el fin de comparar los valores asignados de capacidad de acogida del territorio a cada variable en los diferentes estudios revisados. Posteriormente, y como etapa previa de un análisis de conectividad, se construyó un mapa de resistencia de los movimientos dispersivos del corzo en base a la literatura y al juicio de expertos. Usando esta investigación como base, se le asignó un valor de resistencia a cada factor seleccionado para construir la matriz de resistencia, ponderándolo y combinándolo con el resto de factores usando el proceso analítico jerárquico y los operadores de lógica difusa como métodos de análisis multicriterio. Posteriormente, se diseñó una metodología SIG para delimitar claramente la extensión física de los corredores de fauna de acuerdo a un valor umbral de ancho geométrico mínimo, así como la existencia de múltiples potenciales conexiones entre cada par de teselas de hábitats presentes en el paisaje estudiado. Finalmente, se realizó un procesado de datos Light Detection and Ranging (LiDAR) y un modelo SIG para calcular la calidad del paisaje (estético y ecológico), las formas del terreno que presentan características similares para trazar una carretera y la acumulación de vistas de potenciales conductores y observadores de los alrededores de la nueva vía. Las principales contribuciones de esta investigación al conocimiento científico existente en el campo de la evaluación del impacto ambiental en relación al diseño de corredores y trazados de carreteras son cuatro. Primero, el análisis realizado de 22 Estudios Informativos de planificación de carreteras reveló que los métodos aplicados por los profesionales para la evaluación de la capacidad de acogida del territorio no fue suficientemente estandarizada, ya que había una falta de uniformidad en el uso de fuentes cartográficas y en las metodologías de evaluación de la capacidad de acogida del territorio, especialmente en el análisis de la calidad del paisaje estético y ecológico. Segundo, el análisis realizado en esta tesis destaca la importancia de los métodos multicriterio para estructurar, combinar y validar factores que limitan los movimientos dispersivos de la fauna en el análisis de conectividad. Tercero, los modelos SIG desarrollados Generador de alternativas de corredores o Generator of Alternative Corridors (GAC) y Eliminador de Corredores Estrechos o Narrow Corridor Eraser (NCE) pueden ser aplicados sistemáticamente y sobre una base científica en análisis de conectividad como una mejora de las herramientas existentes para la comprensión el paisaje como una red compuesta por nodos y enlaces interconectados. Así, ejecutando los modelos GAC y NCE de forma iterativa, pueden obtenerse corredores alternativos con similar probabilidad de ser utilizados por la fauna y sin que éstos presenten cuellos de botella. Cuarto, el caso de estudio llevado a cabo de prediseño de corredores y trazado de una nueva autovía ha sido novedoso incluyendo una clasificación semisupervisada de las formas del terreno, filtrando una nube de puntos LiDAR e incluyendo la nueva geometría 3D de la carretera en el Modelo Digital de Superficie (MDS). El uso combinado del procesamiento de datos LiDAR y de índices y clasificaciones geomorfológicas puede ayudar a los responsables encargados en la toma de decisiones a evaluar qué alternativas de trazado causan el menor impacto en el paisaje, proporciona una visión global de los juicios de valor más aplicados y, en conclusión, define qué medidas de integración paisajística correctoras deben aplicarse y dónde. ABSTRACT The assessment of different alternatives in road-corridor planning and layout design must be based on a number of well-defined territorial variables that serve as decision-making criteria, and this requires a high-quality preliminary environmental analysis of those quality variables. In Spain, feasibility studies for new roads and motorways are associated to a phase of the decision procedure which corresponds with the one known as the Informative Study, which establishes the physical, environmental, land-use and cultural constraints to be considered in the early stages of defining road corridor layouts. The most common methodology is to establish different levels of Territorial Carrying Capacity (TCC) in the study area in order to summarize the territorial variables on thematic maps and facilitate the tracing process of road-corridor layout alternatives. Landscape is a constraint factor that must be considered in road planning and design, and the most sustainable layouts should be sought based on aesthetic and ecological criteria. However this factor is not often analyzed in Informative Studies and even if it is, baseline studies on landscape quality (aesthetic and ecological) and landforms do not usually include the recommendations of road tracing guides designed to avoid or reduce impacts on the landscape. The resolution of the landscape maps produced in this type of studies does not comply with the recommended road design scale (1:5,000) in the regulations for the Informative Study procedure. Another common shortcoming in road planning is that landscape ecological connectivity is not considered during road design in order to avoid affecting wildlife corridors in the landscape. In the prior road planning stage, this issue could lead to a major barrier effect for fauna dispersal movements and to the fragmentation of their habitat due to the partial or total occupation of habitat patches of biological importance for the fauna (or focal habitats), and the interruption of wildlife corridors that concentrate fauna dispersal movements between patches. The main goal of this dissertation is to improve the study of the landscape and prevent negative effects during the road tracing process, and facilitate the preservation of wildlife corridors (or green ways) and the location of preventive and corrective measures by selecting and quantifying suitability factors to reduce visual and ecological landscape impacts at a local scale. Specifically the incorporation of quantitative and well-supported values in the decision-making process provides increased transparency in the road corridors and layouts design process. Four specific questions were raised in this research: (1) How are territorial constraints selected and evaluated in terms of landscape by Spanish land-planning practitioners before locating a new road? (2) How can wildlife corridors be defined based on the landscape factors influencing the dispersal movements of fauna? (3) How can wildlife corridors be delimited and assessed to include the partially erratic movements of fauna and the barrier effect of the anthropic elements at a local scale? (4) How recommendations of road design related to landscape and landforms can be included in a Geographic Information System (GIS) model to aid civil engineers during the road layout design process and support sustainable development? This doctoral thesis proposes new methodologies that improve the assessment of the visual and ecological landscape character using indicators and GIS models to obtain road layout alternatives with a lower impact on the landscape. These methodologies were tested on a case study of a heterogeneous landscape with a high density of roe deer (Capreolus capreolus L.) –one of the large mammals most commonly hit by vehicles on the Spanish road network– and where a new motorway is planned to pass through the middle of their distribution area. We explored the variables used in 22 road-corridor planning projects sponsored by the Ministry of Public Works between 2006 and 2008. These variables were grouped into physical, environmental, land-use and cultural constraints for the purpose of comparing the TCC values assigned to each variable in the various studies reviewed. As a prior stage in a connectivity analysis, a map of resistance to roe deer dispersal movements was created based on the literature and experts judgment. Using this research as a base, each factor selected to build the matrix was assigned a resistance value and weighted and combined with the rest of the factors using the analytic hierarchy process (AHP) and fuzzy logic operators as multicriteria assessment (MCA) methods. A GIS methodology was designed to clearly delimit the physical area of wildlife corridors according to a geometric threshold width value, and the multiple potential connections between each pair of habitat patches in the landscape. A Digital Surface Model Light Detection and Ranging (LiDAR) dataset processing and a GIS model was performed to determine landscape quality (aesthetic and ecological) and landforms with similar characteristics for the road layout, and the cumulative viewshed of potential drivers and observers in the area surrounding the new motorway. The main contributions of this research to current scientific knowledge in the field of environmental impact assessment for road corridors and layouts design are four. First, the analysis of 22 Informative Studies on road planning revealed that the methods applied by practitioners for assessing the TCC were not sufficiently standardized due to the lack of uniformity in the cartographic information sources and the TCC valuation methodologies, especially in the analysis of the aesthetic and ecological quality of the landscape. Second, the analysis in this dissertation highlights the importance of multicriteria methods to structure, combine and validate factors that constrain wildlife dispersal movements in the connectivity analysis. Third, the “Generator of Alternative Corridors (GAC)” and “Narrow Corridor Eraser (NCE)” GIS models developed can be applied systematically and on a scientific basis in connectivity analyses to improve existing tools and understand landscape as a network composed of interconnected nodes and links. Thus, alternative corridors with similar probability of use by fauna and without bottlenecks can be obtained by iteratively running GAC and NCE models. Fourth, our case study of new motorway corridors and layouts design innovatively included semi-supervised classification of landforms, filtering of LiDAR point clouds and new 3D road geometry on the Digital Surface Model (DSM). The combined used of LiDAR data processing and geomorphological indices and classifications can help decision-makers assess which road layouts produce lower impacts on the landscape, provide an overall insight into the most commonly applied value judgments, and in conclusion, define which corrective measures should be applied in terms of landscaping, and where.