Seasonal Dynamic Factor Analysis and Bootstrap Inference: Application to Electricity Market Forecasting

In this work, we propose the Seasonal Dynamic Factor Analysis (SeaDFA), an extension of Nonstationary Dynamic Factor Analysis, through which one can deal with dimensionality reduction in vectors of time series in such a way that both common and specific components are extracted. Furthermore, common factors are able to capture not only regular dynamics (stationary or not) but also seasonal ones, by means of the common factors following a multiplicative seasonal VARIMA(p, d, q) × (P, D, Q)s model. Additionally, a bootstrap procedure that does not need a backward representation of the model is proposed to be able to make inference for all the parameters in the model. A bootstrap scheme developed for forecasting includes uncertainty due to parameter estimation, allowing enhanced coverage of forecasting intervals. A challenging application is provided. The new proposed model and a bootstrap scheme are applied to an innovative subject in electricity markets: the computation of long-term point forecasts and prediction intervals of electricity prices. Several appendices with technical details, an illustrative example, and an additional table are available online as Supplementary Materials.

Inluence of source and level of glycerin in the diet on growth performance, liver characteristics, and nturient digestibility in broilers from hatching to 21 days of age

The influence of source and level of inclusion of raw glycerin (GLYC) in the diet on growth performance, digestive traits, total tract apparent retention (TTAR), and apparent ileal digestibility of nutrients was studied in broilers from 1 to 21 d of age. There was a control diet based on corn and soybean meal and 8 additional diets that formed a 2 × 4 factorial with 2 sources of GLYC and 4 levels of inclusion (2.5, 5.0, 7.5, and 10%). The GLYC used were obtained from the same original batch of soy oil that was dried under different processing conditions and contained 87.5 or 81.6% glycerol, respectively. Type of processing of the GLYC did not affect any of the variables studied except DM and organic matter retention (P < 0.05) that was higher for the 87.5% glycerol diet. From d 1 to 21, feed conversion ratio (FCR) improved linearly (L, P ≤ 0.01) as the GLYC content of the diet increased, but ADG was not affected. On d 21, the relative weight (% BW) of the liver and the digestive tract increased (L, P < 0.01) as the level of GLYC in the diet increased, but lipid concentration in the liver was not affected. The TTAR of DM and organic matter increased quadratically (Q, P < 0.05) and the AMEn content of the diet increased linearly (L, P < 0.01) with increases in dietary GLYC. Also, the apparent ileal digestibility of DM (L, P < 0.05; Q, P = 0.07) and gross energy (L, P < 0.01) increased as the GLYC content of the diet increased. It is concluded that raw GLYC from the biodiesel industry can be used efficiently, up to 10% of the diet, as a source of energy for broilers from 1 to 21 d of age and that the energy content of well-processed raw GLYC depends primarily on its glycerol content.

Identification of the method to quantify soluble fibre and the effect of the source of fibre on the ileal and faecal digestibility of soluble and insoluble fibre in rabbits = Identificación del método para cuantificar la fibra soluble y el efecto de la fuente de fibra en la digestibilidad ileal y fecal de la fibra soluble e insoluble en conejos

La presente tesis constituye un avance en el estudio de los métodos para cuantificar la fibra soluble y los efectos de las fracciones de fibra y las fuentes de fibra sobre la digestión de las diferentes fracciones de fibra (soluble e insoluble) en el conejo. Hay un efecto positivo de la fibra soluble sobre la salud intestinal de los conejos y, por ende, una reducción de la mortalidad en animales destetados. Pese a esto, no está claro si estos efectos se deben específicamente a la fracción soluble. Por lo que los objetivos generales de esta tesis fueron: 1) comparar diferentes metodologías químicas e in vitro para cuantificar la fibra soluble y estudiar las posibles interferencias en la cuantificación de la fibra soluble por las mucinas, y viceversa, 2) determinar los efectos de la fibra, el lugar de fermentación, el método para valorar la fibra soluble e insoluble, y la corrección de la fibra soluble por el contenido intestinal de mucinas sobre la digestibilidad de las distintas fracciones de la fibra y 3) evaluar los efectos individuales de las fracciones soluble e insoluble de la fibra de pulpa de remolacha y de manzana, sobre la digestibilidad de la fibra soluble e insoluble y los parámetros digestivos. Para ello se llevaron a cabo 4 estudios. En el primer estudio se compararon diferentes metodologías químicas e in vitro para valorar la fibra soluble de diferentes alimentos y se estudió la posible interferencia en la determinación de la fibra soluble y mucinas. Para ello se utilizaron seis ingredientes (pulpa de remolacha, pectinas de pulpa de remolacha, pulpa de remolacha lavada, paja de cereal, cascarilla de girasol y lignocelulosa) y siete piensos de conejos con diferentes niveles de fibra soluble. En un primer experimento se analizó la fibra dietética total (FDT), la fibra dietética insoluble (FDI), la fibra dietética soluble (FDS), la fibra neutro detergente corregida por cenizas y proteínas (aFNDmo-pb), y la digestibilidad in vitro 2 pasos pepsina/pancreatina (residuo corregido por cenizas y proteína, ivMSi2) de los ingredientes y piensos. Además la fibra soluble se calculó mediante la diferencia entre FDT-FDI (FDSFDI), FDT- ivMSi2 (FDSivMSi2), y FDT - aFNDmo-pb (FDSaFNDmo-pb). Cuando la fibra soluble se determinó directamente como FDS o se calculó como FDT-FDI no se observaron diferencias (109 g/kg MS, en promedio). Sin embargo, cuando la fibra soluble se calculó como FDT - aFNDmo-pb su valor fue un 40% menor (153 g/kg MS. P < 0,05), mientras que la FDSFDI (124 g/kg MS) no fue diferente a ninguna de las otras metodologías. La correlación entre los tres métodos fue elevada (r > 0,96. P < 0,001. n = 13), pero disminuyó o incluso desapareció cuando la pulpa o las pectinas de la remolacha fueron excluidas del análisis. En un segundo experimento, se comparó el método ivDMi2 usando crisoles (método de referencia) con una modificación del mismo usando bolsas ANKOM digeridas individualmente o en colectivo para simplificar la determinación de la FDSivMSi2. La FDSivMSi2 no difirió entre los métodos comparados. En un tercer experimento, se analizó la posible interferencia entre la determinación de la fibra soluble y las mucinas intestinales. Se observó un contenido de FDT y de mucinas elevado en las muestras de pectinas de remolacha (994 y 709 g/kg MS), así como en el moco intestinal de conejo (571 y 739 g/kg MS) cuando se aplicó el método de mucinas por precipitación con etanol. Sin embargo, después de aplicar una pectinasa en el material precipitado, la cantidad de mucinas recuperadas en las muestras de pectinas de remolacha fue cercana a cero, mientras que en el moco intestinal fue similar a los resultados previos al uso de la enzima. Con los resultados de este ensayo se estimaron los carbohidratos de mucinas retenidos en los contenidos digestivos y se propuso una corrección para la determinación de la digestibilidad de la FDT y fibra soluble. En conclusión, la contaminación de las mucinas de la digesta con fibra soluble se soluciona usando pectinasas. El segundo estudio se centró en estudiar: 1) el efecto del tipo de fibra, 2) el sitio de fermentación, 3) el método para cuantificar fibra y 4) la corrección por mucinas sobre la digestibilidad de la fibra. Para ello se formularon tres piensos con diferentes niveles de fibra soluble (FDT-aFNDmo-pb). Un pienso bajo en fibra soluble (LSF. 85 g/kg DM), un pienso medio en fibra soluble (MSF. 102 g/kg DM), y un pienso alto en fibra soluble (HSF. 145 g/kg DM). Estos piensos se obtuvieron reemplazando un 50% del heno del alfalfa en el pienso MSF por una mezcla de pulpa de manzana y remolacha (HSF) o por una mezcla de cascarilla de avena y proteína de soja (LSF). Se utilizaron 30 conejas canuladas para determinar la digestibilidad ileal y fecal. La digestibilidad cecal se calculó mediante diferencia entre la digestibilidad fecal e ileal. La fibra insoluble se determinó como aFNDmo-pb, IDF, e ivMSi2, mientras que la fibra soluble se calculó como FDSFDI, FDSaFNDmo-pb, y FDSivMSi2. La digestibilidad de la FDT y la fibra soluble se corrigieron por las mucinas. La concentración de mucinas en la digesta ileal y fecal, aumento desde el grupo LSF hasta el grupo con el pienso HSF (P < 0,01). La corrección por mucinas aumentó las digestibilidades de la FDT y la fibra soluble a nivel ileal, mientras que a nivel cecal las redujo. (P < 0.01). El coeficiente de digestibilidad ileal de FDT aumentó desde el grupo LSF al grupo HSF (0,12 vs. 0,281. P < 0,01), sin diferencias en el coeficiente de digestibilidad cecal (0,264), por lo que la tendencia a nivel fecal entre los grupos se mantuvo. El coeficiente de digestibilidad ileal de la fibra insoluble aumento desde el grupo con el pienso LSF al grupo con el pienso HSF (0,113 vs. 0,210. P < 0,01), sin diferencias a nivel cecal (0,139) y sin efecto del método usado, resultando en una digestibilidad elevada a nivel fecal, con tendencias similares a las observadas a nivel ileal. El coeficiente de digestibilidad de la FND fue elevada en comparación con la FDI o la ivMSi2 (P > 0.01). El coeficiente de la digestibilidad ileal de la fibra soluble fue mayor en el grupo LSF respecto al grupo LSF (0,436 vs. 0,145. P < 0,01) y el método no afectó a esta determinación. El coeficiente de la digestibilidad cecal de la fibra soluble se redujo desde el grupo LSF hasta el grupo HSF (0,721 vs. 0,492. P < 0,05). El valor más bajo de digestibilidad cecal y fecal de fibra soluble fue medido con el método FDSaFNDmo-pb (P < 0,01). Se observó una alta correlación entre las digestibilidades de la fibra soluble determinada como FDSFDI, FDSaFNDmo-pb, y FDSivMSi2, por lo tanto la información proporcionada por una u otra metodología fueron similares. Sin embargo, cuando se compararon con efectos fisiológicos (producción de mucinas y peso del ciego y pH del ciego de un trabajo previo), la FDSaFNDmo-pb globalmente mostró estar mejor correlacionado con estos parámetros fisiológicos. En conclusión, la corrección por mucinas es necesaria para determinar la digestibilidad ileal de la FDT y fibra soluble, mientras que la elección de uno u otro método es menos relevante. La inclusión de pulpa de manzana y remolacha incrementa la cantidad de FDT que desaparece antes de llegar al ciego. En el tercer estudio se estudió el efecto de la fracción fibrosa soluble e insoluble de la pulpa de remolacha y el método de cuantificación de la fibra soluble e insoluble sobre la digestibilidad de la fibra y algunos parámetros digestivos. Para ello se formularon cuatro piensos con niveles similares de fibra insoluble (315g aFNDmo-pb/kg MS) y proteína (167 g/kg MS). El pienso control contuvo el nivel más bajo de fibra soluble (30,3 g/kg, con cascarilla de girasol y paja como fuente de fibra). Un segundo pienso se obtuvo mediante la sustitución de 60 g de almidón/kg del pienso control por pectinas de remolacha (82,9 g fibra soluble/kg MS). Los otras dos piensos resultaron de la sustitución parcial de las fuentes de fibra del pienso control por la fracción insoluble de la pulpa de remolacha y la pulpa de remolacha entera (42.2 y 82.3 g fibra soluble/kg MS, respectivamente). Cincuenta y seis conejos en cebo (14/pienso), de 2,4  0.21 kg de peso, fueron usados para determinar la digestibilidad ileal y fecal de la FDT, FDI, aFNDmo-pb, FDSFDI, y FDSaFNDmo-pb. La concentración de mucinas en el íleon y heces se utilizaron para corregir la digestibilidad de la FDT y fibra soluble. También se midió el peso de diferentes segmentos del tracto digestivo y el pH del contenido digestivo. Los conejos alimentados con el pienso de fibra insoluble de pulpa de remolacha mostraron los consumos más bajos con respecto a los demás grupos (124 vs. 139 g/d, respectivamente. P < 0,05). El flujo de mucinas ileales fue más alto (P < 0.05) en el grupo alimentado con el pienso de pectinas de remolacha (9,0 g/d en promedio) que los del grupo control (4,79 g/d), mostrando los otros dos grupos valores intermedios, sin detectarse diferencias a nivel fecal. La digestibilidad ileal de la FDT (corregida por mucinas) y la fibra insoluble no se vieron afectadas por el tipo de pienso. El método usado para determinar la fibra insoluble afectó su digestibilidad ileal (0,123 para FDI vs. 0,108 para aFNDmo-pb. P < 0.01). De todas formas, los métodos no afectaron al cálculo de la fibra fermentada antes del ciego (4,9 g/d en promedio). Los conejos alimentados con el pienso de pulpa de remolacha y con el pienso con la fracción insoluble de la pulpa de remolacha mostraron las digestibilidades fecales más altas de la fibra insoluble (0,266 en promedio vs. 0,106 del grupo control), mientras que en los animales del pienso con pectinas esta digestibilidad fue un 47% mayor respecto al pienso control (P < 0,001). La digestibilidad fecal de la fibra insoluble fue un 20% más alta cuando se usó la FND en lugar de FDI para determinarla (P < 0.001). Esto hizo variar la cantidad de fibra insoluble fermentada a lo largo del tracto digestivo (9,5 ó 7,5 g/d cuando fue calculada como FDI o aFNDmo-pb, respectivamente. P < 0,001). Las digestibilidades ileales de la fibra soluble fueron positivas cuando los análisis de fibra soluble de los contenidos ileales fueron corregidos por mucinas, (P < 0,001) excepto para la digestibilidad ileal de la FDSIDF del grupo control. Una vez corregidas por mucinas, los conejos alimentados con los piensos que contuvieron la fracción soluble de la pulpa de remolacha (pienso de pectina y pulpa de remolacha) mostraron una mayor digestibilidad ileal de la fibra soluble, respecto al grupo control (0,483 vs. -0,010. P = 0.002), mientras que el grupo del pienso de fibra insoluble de pulpa de remolacha mostró un valor intermedio (0,274). La digestibilidad total de la fibra soluble fue similar entre todos los grupos (0.93). Los conejos alimentados con pulpa de remolacha y su fracción insoluble mostraron los pesos relativos más altos del estómago respecto a los del pienso control y de pectinas (11 y 56 % respectivamente; P < 0,05). Por otra parte, el peso relativo del ciego aumentó en los animales que consumieron tanto la fracción soluble como insoluble de la pulpa de remolacha, siendo un 16% más pesados (P < 0,001) que el grupo control. El pH del contenido cecal fue más bajo en los animales del grupo de pulpa de remolacha que en los del grupo control (5,64 vs. 6,03; P < 0,001), mientras que los del grupo de pectinas y de fibra insoluble de pulpa de remolacha mostraron valores intermedios. En conclusión, el efecto positivo de la pulpa de remolacha en el flujo de mucinas a nivel ileal se debe a la fracción soluble e insoluble de la pulpa de remolacha. La mitad de la fibra soluble de la pulpa de remolacha desaparece antes de llegar al ciego, independientemente si esta proviene de pectinas puras o de la pulpa de remolacha. El pH cecal esta mejor correlacionado con la cantidad de FDT que desaparece antes del ciego más que con la que se degrada en el ciego. En el último estudio se estudiaron los efectos de la fibra soluble e insoluble de la pulpa de manzana sobre la digestibilidad de la fibra y algunos parámetros digestivos. Cuatro dietas fueron formuladas con niveles similares de fibra insoluble (aFNDmo-pb 32,4%) y proteína (18,6% ambos en base seca). El pienso control contuvo el nivel más bajo de fibra soluble (46 g de fibra soluble/kg, con cascarilla de girasol y paja de cereales como la fuentes de fibra). Un segundo pienso fue obtenido mediante la sustitución de 60 g de almidón/kg del pienso control por pectinas de manzana (105 g fibra soluble/kg). Los otros dos piensos se obtuvieron por la substitución de parte de las fuentes de fibra del pienso control por pulpa de manzana o pulpa de manzana despectinizada (93 y 71 g de fibra soluble/kg, respectivamente). La digestibilidad fecal fue determinada en 23 conejos/pienso con 1.68 ± 0.23 kg de peso vivo, los cuales fueron sacrificados a los 60 d edad para recolectar su contenido digestivo para determinar digestibilidad ileal y otros parámetros digestivos. La fibra soluble de manzana (pectinas y pulpa entera) estimuló el flujo ileal de mucinas (P = 0,002), pero no asi la pulpa despectinizada. La corrección por mucinas incrementó la digestibilidad de la FDT y la fibra soluble a nivel fecal, y especialmente a nivel ileal. Cerca de la mitad de la fibra soluble proveniente de los piensos con cualquiera de las fracciones de la pulpa de manzana fue degradada a nivel ileal, sin mostrar diferencias entre los grupos (46 y 86% en promedio a nivel ileal y fecal respectivamente). La inclusión de pulpa despectinizada de manzana mejoró la digestibilidad de la FND a nivel fecal (P < 0,05) pero no a nivel ileal. El contenido cecal de los conejos alimentados con la pulpa de manzana tuvieron el pH cecal más ácido que los del pienso control (5,55 vs. 5,95. P < 0,001), mientras que los animales con el pienso de pectinas de manzana y de pulpa de manzana despectinizada mostraron valores intermedios. En conclusión los efectos positivo de la pulpa de manzana en el flujo de mucinas se debió principalmente a la fracción soluble de la pulpa de manzana. La mitad de la fibra soluble fue degradada antes del ciego independientemente de si esta provino de las pectinas o de la pulpa de manzana. El pH cecal estuvo mejor correlacionado con la cantidad de FDT fermentada en todo el tracto digestivo y antes de llegar al ciego que con la que se degradó en el ciego. Al integrar los resultados de los estudio 2, 3 y 4 se concluyó que la corrección de mucinas de los contenidos digestivos al determinar FDT y fibra soluble es necesaria para ajustar los cálculos de su digestibilidad. Esta corrección es mucho más importante a nivel ileal y en dietas bajas en fibra soluble. Por otra parte, la FDT desapareció en proporciones importantes antes de llegar al ciego, especialmente en piensos que contienen pulpa de remolacha o de manzana o alguna fracción soluble o insoluble de las mismas y estas diferencias observadas entre los piensos a nivel ileal se correlacionaron mejor con el pH cecal, lo que indicaría que la FDT se solubilizó antes de llegar al ciego y una vez en esté fermentó. Estos resultados implican que determinar la fibra soluble como FDSaFNDmo-pb es la mejor opción y que en la determinación de la digestibilidad de la FDT y fibra soluble se debe considerar la corrección por mucinas especialmente a nivel ileal y en piensos bajos en fibra soluble. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing the knowledge of the methods to quantify soluble fibre and the effects of the fibre fractions and source of fibre on the site the digestion of different fractions of fibre (soluble and insoluble) in the rabbit. There is a positive effect of soluble fibre on rabbit digestive health and therefore on the reduction of mortality in weaning rabbits. Nevertheless, it is no so clear that the effects of soluble fibre on rabbits are due particularly to this fraction. This thesis aims: 1) to compare the quantification of soluble fibre in feeds using different chemical and in vitro approaches, and to study the potential interference between soluble fibre and mucin determinations, 2) to identify the effects of type of fibre, site of fermentation, method to quantify insoluble and soluble fibre, and correction of the intestinal soluble fibre content for intestinal mucin on the digestibility of fibre fractions and 3) to evaluate the individual effect of soluble and insoluble fibre from sugar beet pulp and apple pulp on ileal and faecal soluble and insoluble digestibility and digestive traits. These objectives were developed in four studies: The first study compared the quantification of soluble fibre in feeds using different chemical and in vitro approaches, and studied the potential interference between soluble fibre and mucin determinations. Six ingredients, sugar beet pulp (SBP), SBP pectins, insoluble SBP, wheat straw, sunflower hulls and lignocellulose, and seven rabbit diets, differing in soluble fibre content, were evaluated. In experiment 1, ingredients and diets were analysed for total dietary fibre (TDF), insoluble dietary fibre (IDF), soluble dietary fibre (SDF), aNDFom (corrected for protein, aNDFom-cp) and 2-step pepsin/pancreatin in vitro DM indigestibility (corrected for ash and protein, ivDMi2). Soluble fibre was estimated by difference using three procedures: TDF - IDF (SDFIDF), TDF - ivDMi2 (SDFivDMi2), and TDF - aNDFom-cp (SDFaNDFom-cp). Soluble fibre determined directly (SDF) or by difference, as SDFivDMi2 were not different (109 g/kg DM, on average). However, when it was calculated as SDFaNDFom-cp the value was 40% higher (153 g/kg DM, P < 0.05), whereas SDFIDF (124 g/kg DM) did not differ from any of the other methods. The correlation between the four methods was high (r ≥ 0.96. P ≤ 0.001. n = 13), but it decreased or even disappeared when SBP pectins and SBP were excluded and a lower and more narrow range of variation of soluble fibre was used. In experiment 2, the ivDMi2 using crucibles (reference method) were compared to those made using individual or collective ankom bags in order to simplify the determination of SDFivDMi2. The ivDMi2 was not different when using crucibles or individual or collective ankom bags. In experiment 3, the potential interference between soluble fibre and intestinal mucin determinations was studied using rabbit intestinal raw mucus, digesta and SBP pectins, lignocelluloses and a rabbit diet. An interference was observed between the determinations of soluble fibre and crude mucin, as the content of TDF and apparent crude mucin were high in SBP pectins (994 and 709 g/kg DM) and rabbit intestinal raw mucus (571 and 739 g/kg DM). After a pectinase treatment, the coefficient of apparent mucin recovery of SBP pectins was close to zero, whereas that of rabbit mucus was not modified. An estimation of the crude mucin carbohydrates retained in digesta TDF is proposed to correct TDF and soluble fibre digestibility. In conclusion, the values of soluble fibre depend on the methodology used. The contamination of crude mucin with soluble fibre is avoided using pectinase. The second study focused on the effect of type of fibre, site of fermentation, method for quantifying insoluble and soluble dietary fibre, and their correction for intestinal mucin on fibre digestibility. Three diets differing in soluble fibre were formulated (85 g/kg DM soluble fibre, in the low soluble fibre [LSF] diet; 102 g/kg DM in the medium soluble fibre [MSF] diet; and 145 g/kg DM in the high soluble fibre [HSF] diet). They were obtained by replacing half of the dehydrated alfalfa in the MSF diet with a mixture of beet and apple pulp (HSF diet) or with a mix of oat hulls and soybean protein (LSF diet). Thirty rabbits with ileal T-cannulas were used to determine total tract apparent digestibility (CTTAD) and ileal apparent digestibility (CIAD). Caecal digestibility was determined by difference between CTTAD and CIAD. Insoluble fibre was measured as aNDFom-cp, IDF, and ivDMi2, whereas soluble fibre was calculated as SDFaNDFom-cp, SDFIDF, SDFivDMi2. The intestinal mucin content was used to correct the TDF and soluble fibre digestibility. Ileal and faecal concentration of mucin increased from the LSF to the HSF diet group (P < 0.01). Once corrected for intestinal mucin, The CTTAD and CIAD of TDF and soluble fibre increased whereas caecal digestibility decreased (P < 0.01). The CIAD of TDF increased from the LSF to the HSF diet group (0.12 vs. 0.281. P < 0.01), with no difference in the caecal digestibility (0.264), resulting in a higher CTTAD from the LSF to the HSF diet group (P < 0.01). The CIAD of insoluble fibre increased from the LSF to the HSF diet group (0.113 vs. 0.21. P < 0.01), with no difference in the caecal digestibility (0.139) and no effect of fibre method, resulting in a higher CTTAD for rabbits fed the HSF diet compared with the MSF and LSF diets groups (P < 0.01). The CTTAD of aNDFom-cp was higher compared with IDF or ivDMi2 (P < 0.01). The CIAD of soluble fibre was higher for the HSF than for the LSF diet group (0.436 vs. 0.145. P < 0.01) and fibre method did not affect it. Caecal soluble fibre digestibility decreased from the LSF to the HSF diet group (0.721 vs. 0.492. P < 0.05). The lowest caecal and faecal soluble fibre digestibility was measured using SDFaNDFom-cp (P < 0.01). There was a high correlation among the digestibilities of soluble fibre measured as SDFaNDFom-cp, SDFIDF, and SDFivDMi2. Therefore, these methodologies provide similar information. However, the method that seems to be globally better related to the physiological traits (ileal flow of mucins, and relative weight of the caecum and caecal pH from previous work) was the SDFaNDFom-cp. In conclusion, a correction for intestinal mucin is necessary for ileal TDF and soluble fibre digestibility whereas the selection of the fibre method has a minor relevance. The inclusion of sugar beet and apple pulp increased the amount of TDF fermented in the small intestine. The third study examined the effect of fibre fractions of sugar beet pulp (SBP) and the method for quantifying soluble and insoluble fibre on soluble and insoluble fibre digestibility and digestive traits. Four diets were formulated with similar level of insoluble fibre (aNDFom-cp: 315 g/kg DM) and protein (167 g/kg DM). Control diet contained the lowest level of soluble fibre (30.3 g/kg DM, including sunflower hulls and straw as sole sources of fibre). A second diet was obtained by replacing 60 g starch/kg of control diet with SBP pectins (82.9 g soluble fibre/kg DM). Two more diets were obtained by replacing part of the fibrous sources of the control diet with either insoluble SBP fibre or SBP (42.2 and 82.3 g soluble fibre/kg DM, respectively). Fifty six (14/diet) rabbits weighing 2.40  0.213 kg were used to determine faecal and ileal digestibility of total dietary fibre (TDF), insoluble dietary fibre (IDF), neutral detergent fibre corrected for ash and CP (aNDFom-cp) and soluble fibre estimated as SDFaNDFom-cp and SDFIDF. Faecal and ileal mucin content was used to correct TDF and soluble fibre digestibility. It was also recorded weight of digestive segments and digesta pH. Rabbits fed insoluble SBP showed the lowest feed intake with respect to the other 3 diets (124 vs. 139 g/d, respectively. P < 0.05). Ileal mucin flow was higher (P < 0.05) in animals fed pectin and SBP diets (9.0 g/d, as average) than those fed control diet (4.79 g/d), showing InsSBP group an intermediate value. No differences on mucin content were detected at faecal level. There was no diet effect on the CIAD of TDF (corrected for mucin) and insoluble fibre. Fibre methodology influenced the CIAD of insoluble fibre (0.123 for IDF vs. 0.108 for aNDFom-cp. P < 0.01). Anyway, the amount of insoluble fibre fermented before the caecum did not differ between both methods (4.9 g/d, on average). Rabbits fed insoluble SBP and SBP diets showed the highest CTTAD of insoluble fibre (0.266 on average vs. 0.106 for control group), whereas those fed pectin diet had an intermediate value (0.106. P < 0.001). The CTTAD of insoluble fibre measured with IDF was higher than that measured with aNDFom-cp (by 20%. P < 0.001). It led that the amount of insoluble fibre fermented along the digestive tract were different (9.5 or 7.5 g/d when calculated as IDF or aNDFom-cp, respectively; P < 0.001). When the CIAD of soluble fibre was corrected for mucin they became positive (P < 0.001) except for control group measured as SDFIDF. Once corrected for mucin content, rabbits fed soluble fibre from SBP (pectin and SBP groups) showed higher CIAD of soluble fibre than control group (0.483 vs. -0.019. respectively), whereas the value for insoluble SBP group was intermediate 0.274. The CTTAD of soluble fibre (mucin corrected) was similar among diets 0.93. Rabbits fed with SBP and insoluble SBP diets showed higher total digestive tract and stomach relative weight than those fed pectin and control diets (by 11 and 56 %. respectively, P < 0.05). The caecal relative weight did not differ in rabbits fed pectin, insoluble SBP, and SBP diets (62 g/kg BW, as average) and they were on average 16% higher (P < 0.001) than in control group. Caecal content of rabbits fed SBP diet was more acid than those fed control diet (5.64 vs. 6.03. P < 0.001), whereas those from pectin and insoluble SBP diets showed intermediate values. In conclusion, the positive effect of SBP fibre on ileal mucin flow was due to both its soluble and insoluble fibre fraction. Half of the soluble SBP fibre was degraded before the caecum independently it came from pectin or SBP. The caecal pH correlated better with the ileal amount of fermented TDF in the digestive tract rather than with that fermented in the caecum. The last study examined the effect of soluble and insoluble fibre of apple pulp on fibre digestibility and digestive traits. Four diets were formulated with similar level of insoluble fibre (aNDFom-cp: 324 g/kg DM) and protein (18.6 g/kg DM). Control diet contained the lowest level of soluble fibre (46 g soluble fibre/kg DM, including oat hulls and straw as sole sources of fibre). A second diet was obtained by replacing 60 g starch/kg of control diet with apple pectins (105 g soluble fibre/kg DM). Two more diets were obtained by substituting part of the fibrous sources of the control diet by either apple pulp or depectinized apple pulp (93 and 71 g soluble fibre/kg, respectively). The CTTAD was determined in 23 rabbits/diet weighing 1.68  0.23 kg BW, and 23 rabbits/diet were slaughtered at 60 d of age to collect ileal digesta to determine CIAD and record other digestive traits. Soluble fibre from apple stimulated ileal flow of mucin (P = 0.002), but depectinized apple pulp did not. The correction for mucin increased the digestibility of crude protein, total dietary fibre, and soluble fibre at faecal, but especially at ileal level, depending in this case on the diet. Around half of the soluble fibre in diets containing any fibre fraction from apple was degraded at ileal level, with no differences among these diets (0.46 vs. 0.066 for control group, P=0.046). Faecal soluble fibre digestibility was 0.86 on average for all groups). Inclusion of the apple insoluble fibre improved NDF digestibility at faecal (0.222 vs. 0.069. P < 0.05) but not at ileal level. Caecal content of rabbits fed apple pulp diet was more acid than those fed control diet (5.55 vs. 5.95. P < 0.001), whereas those from pectin and depectinised apple pulp diets showed intermediate values. In conclusion, the positive effect of apple fibre on ileal mucin flow was mainly due to its soluble fibre fraction. Half of the soluble apple fibre was degraded before the caecum independently it came from pectin or apple pulp. The caecal pH correlated better with the total and ileal amount of fermented TDF in the digestive tract rather than with that fermented in the caecum. The results obtained in the studies 2, 3 and 4 were considered together. These results showed that the mucin correction is necessary when the TDF and soluble fibre digestibility is determined, and it correction is more important at ileal level and in diets with low level of soluble fibre. On another hand, incrementing the soluble fibre using sugar beet and apple pulp increased the amount of TDF disappear before the caecum. Moreover, the caecal pH correlated better with the ileal amount of fermented TDF in the digestive tract rather than with that fermented in the caecum. This suggests that an ileal fibre solubilisation may occur rather than ileal fermentation. Therefore the implications of this work were that: the estimation of soluble fibre as SDFaNDFom-cp is an adequate method considering its correlation with the physiological effects; and the TDF and soluble fibre digestibility must be corrected with intestinal mucins, especially when the ileal digestibility is determined.

Evaluación teórico experimental de la influencia de espumas de relleno metálicas como elementos de absorción de energía en perfiles tubulares de pequeño espesor. Su aplicación a vehículos para el transporte colectivo de personas

Los accidentes con implicación de autocares en los que se producen vuelcos ponen de manifiesto la especial agresividad de los mismos, como lo confirman las estadísticas. Como medida para mejorar la seguridad de los Vehículos de Grandes Dimensiones para el Transporte de Pasajeros (V.G.D.T.P.) frente a vuelco fue aprobado por las Naciones Unidas el Reglamento Nº 66 de Ginebra. Este reglamento establece los requisitos mínimos que las estructuras de los vehículos de grandes dimensiones deben cumplir con respecto a vuelco. El reglamento 66 ha supuesto un paso adelante muy importante en relación con la seguridad de los autocares, puesto que especifica por primera vez requerimientos estructurales a este tipo de vehículos, y en general ha supuesto una mejora del vehículo . Por otro lado, a consecuencia de la obligatoriedad de instalación de cinturones de seguridad, existe una unión entre pasajeros y vehículo, pero como no se trata de una unión rígida, hay que contemplar el porcentaje de la masa de los ocupantes que influye en la absorción de energía de la estructura. Además la retención de los ocupantes con cinturones de seguridad influye en la energía a absorber por la estructura del vehículo en dos aspectos, por un lado aumenta la masa del vehículo y en el otro se incrementa la altura el centro de gravedad. Esta situación a conducido a elaborar por parte de las Naciones Unidas la revisión 01 del Reglamento 66, en el que se considera que el 50 % de la masa total de los pasajeros posee una unión rígida con la estructura del vehículo, y por lo tanto debe ser tenida en cuenta si el vehículo posee sistemas de retención. En la situación actual, con limitaciones de peso del vehículo y peso por eje, los elementos de confort, seguridad y espacio para maleteros contribuyen a aumentar el peso del vehículo. Esto unido a la dificultad de introducción de cambios radicales en la concepción actual de fabricación de este tipo de vehículos por suponer unas pérdidas importantes para los fabricantes existentes, tanto en su conocimiento del producto como en su metodología de proceso, conlleva la necesidad cada vez más agobiante de analizar y evaluar otras alternativas estructurales que sin suponer grandes revoluciones a los productos actualmente en fabricación los complementen permitiendo adaptarse a los nuevos requerimientos en seguridad. Recientes desarrollos en la relación costo-beneficio de los procesos para la producción de materiales celulares metálicos de baja densidad, tales como las espumas metálicas, los posiciona como una alternativa de especial interés para la aplicación como elementos de absorción de energía para reforzar estructuras. El relleno con espumas metálicas puede ser más eficiente en términos de optimización de peso comparado con el aumento de espesor de los perfiles estructurales, dado que la absorción de energía se produce en una fracción relativamente pequeña de los perfiles, en las denominadas rótulas plásticas. La aplicación de espumas de relleno metálicas en estructuras de vehículos se está empezando a emplear en determinadas zonas de los vehículos de turismo, siendo totalmente novedosa cualquier intento de aplicación en estructuras de autobuses y autocares. Conforme a lo expuesto, y con el objeto de resolver estos problemas, se ha elaborado el presente trabajo de tesis doctoral, cuyos objetivos son: -Desarrollar un modelo matemático, que permita simular el ensayo de vuelco, considerando la influencia de los ocupantes retenidos con cinturones de seguridad para evaluar su influencia en la absorción de energía de la estructura. -Validar el modelo matemático de vuelco de la estructura mediante ensayos de secciones representativas de la estructura del vehículo y mediante el ensayo de un vehículo completo. -Realizar un estudio de las propiedades de las espumas metálicas que permitan incorporarlas como elemento de absorción de energía en el relleno de componentes de la superestructura de autobuses y autocares. -Desarrollar un modelo matemático para evaluar el aporte del relleno de espuma metálica en la absorción de energía ante solicitaciones por flexión estática y dinámica en componentes de la superestructura de autobuses o autocares. -Realizar un programa de ensayos a flexión estáticos y dinámicos para validar el modelo matemático del aporte del relleno de espuma metálica sobre componentes de la superestructura de autobuses y autocares. . -Incorporar al modelo matemático de vuelco de la estructura, los resultados obtenidos sobre componentes con relleno de espuma metálica, para evaluar el aporte en la absorción de energía. -Validar el modelo de vuelco de la estructura del autobús o autocar con relleno de espuma metálica, mediante ensayos de secciones de carrocería. ABSTRACT Accidents involving buses in which rollovers occur reveal the special aggressiveness thereof, as the statistics prove. As a measure to improve the safety of large vehicles for the transport of passengers to rollover, Regulation 66 of Geneva was approved by the United Nations. This regulation establishes the minimum requirements that structures of large vehicles must comply with respect to rollovers. The regulation 66 has been a major step forward in relation to the safety of coaches, since it specifies structural requirements to such vehicles and has been an improvement for the vehicle. In turn, as a result of compulsory installation of safety belts, there is contact between passengers and vehicle, but as it is not a rigid connection we must contemplate the percentage of the mass of the occupants that impacts on the energy absorption of the structure. Thus, the passengers’ restraining modifies the energy to absorb by the vehicle in two different aspects: On the one hand, it increases the vehicle weight and on the other the height of the center of gravity. This circumstance has taken the United Nations to elaborate Revision 01 of Regulation 66, in which it is considered that the 50 percent of passengers’ mass has a rigid joint together with the vehicle structure and, therefore, the passengers’ mass mentioned above should be highly considered if the vehicle has seat belts. In the present situation, in which limitations in vehicle weight and weight in axles are stricter, elements of comfort, safety and space for baggage are contributing to increase the weight of the vehicle. This coupled with the difficulty of introducing radical changes in the current conception of manufacturing such vehicles pose significant losses for existing manufacturers, both in product knowledge and process methodology, entails the overwhelming need to analyze and evaluate other structural alternatives without assuming relevant modifications on the products manufactured currently allowing them to adapt to the new safety requirements. Recent developments in cost-benefit processes for the production of metallic foams of low density, such as metal foams, place them as an alternative of special interest to be used as energy absorbers to strengthen structures. The filling with metal foams can be more efficient in terms of weight optimization compared with increasing thickness of the structural beams, since the energy absorption occurs in a relatively small fraction of the beams, called plastic hinges. The application of metal filling foams in vehicle structures is beginning to be used in certain areas of passenger cars, being an innovative opportunity in structures for application in buses and coaches. According to the mentioned before, and in order to come forward with a solution, this doctoral thesis has been prepared and its objectives are: - Develop a mathematical model to simulate the rollover test, considering the influence of the occupants held with seat belts to assess their influence on energy absorption structure. - Validate the mathematical model of the structure rollover by testing representative sections of the vehicle structure and by testing a complete vehicle. - Conduct a study of the properties of metal foams as possible incorporation of energy absorbing element in the filler component of the superstructure of buses and coaches. - Elaborate a mathematical model to assess the contribution of the metal foam filling in absorbing energy for static and dynamic bending loads on the components of buses or coaches superstructure. - Conduct a static and dynamic bending test program to validate the mathematical model of contribution of metal foam filling on components of the superstructure of buses and coaches bending. - To incorporate into the mathematical model of structure rollover, the results obtained on components filled with metal foam, to evaluate the contribution to the energy absorption. - Validate the rollover model structure of the bus or coach filled with metal foam through tests of bay sections. The objectives in this thesis have been achieved successfully. The contribution calculation model with metal foam filling in the vehicle structure has revealed that the filling with metal foam is more efficient than increasing thickness of the beams, as demonstrated in the experimental validation of bay sections.

Coupled Nonlinear Ginzburg-Landau and Mechanics Model for Martensitic Transformations in Polycrystals

Las transformaciones martensíticas (MT) se definen como un cambio en la estructura del cristal para formar una fase coherente o estructuras de dominio multivariante, a partir de la fase inicial con la misma composición, debido a pequeños intercambios o movimientos atómicos cooperativos. En el siglo pasado se han descubierto MT en diferentes materiales partiendo desde los aceros hasta las aleaciones con memoria de forma, materiales cerámicos y materiales inteligentes. Todos muestran propiedades destacables como alta resistencia mecánica, memoria de forma, efectos de superelasticidad o funcionalidades ferroicas como la piezoelectricidad, electro y magneto-estricción etc. Varios modelos/teorías se han desarrollado en sinergia con el desarrollo de la física del estado sólido para entender por qué las MT generan microstructuras muy variadas y ricas que muestran propiedades muy interesantes. Entre las teorías mejor aceptadas se encuentra la Teoría Fenomenológica de la Cristalografía Martensítica (PTMC, por sus siglas en inglés) que predice el plano de hábito y las relaciones de orientación entre la austenita y la martensita. La reinterpretación de la teoría PTMC en un entorno de mecánica del continuo (CM-PTMC) explica la formación de los dominios de estructuras multivariantes, mientras que la teoría de Landau con dinámica de inercia desentraña los mecanismos físicos de los precursores y otros comportamientos dinámicos. La dinámica de red cristalina desvela la reducción de la dureza acústica de las ondas de tensión de red que da lugar a transformaciones débiles de primer orden en el desplazamiento. A pesar de las diferencias entre las teorías estáticas y dinámicas dado su origen en diversas ramas de la física (por ejemplo mecánica continua o dinámica de la red cristalina), estas teorías deben estar inherentemente conectadas entre sí y mostrar ciertos elementos en común en una perspectiva unificada de la física. No obstante las conexiones físicas y diferencias entre las teorías/modelos no se han tratado hasta la fecha, aun siendo de importancia crítica para la mejora de modelos de MT y para el desarrollo integrado de modelos de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión. Por lo tanto, esta tesis comenzó con dos objetivos claros. El primero fue encontrar las conexiones físicas y las diferencias entre los modelos de MT mediante un análisis teórico detallado y simulaciones numéricas. El segundo objetivo fue expandir el modelo de Landau para ser capaz de estudiar MT en policristales, en el caso de transformaciones acopladas de desplazamiento-difusión, y en presencia de dislocaciones. Comenzando con un resumen de los antecedente, en este trabajo se presentan las bases físicas de los modelos actuales de MT. Su capacidad para predecir MT se clarifica mediante el ansis teórico y las simulaciones de la evolución microstructural de MT de cúbicoatetragonal y cúbicoatrigonal en 3D. Este análisis revela que el modelo de Landau con representación irreducible de la deformación transformada es equivalente a la teoría CM-PTMC y al modelo de microelasticidad para predecir los rasgos estáticos durante la MT, pero proporciona una mejor interpretación de los comportamientos dinámicos. Sin embargo, las aplicaciones del modelo de Landau en materiales estructurales están limitadas por su complejidad. Por tanto, el primer resultado de esta tesis es el desarrollo del modelo de Landau nolineal con representación irreducible de deformaciones y de la dinámica de inercia para policristales. La simulación demuestra que el modelo propuesto es consistente fcamente con el CM-PTMC en la descripción estática, y también permite una predicción del diagrama de fases con la clásica forma ’en C’ de los modos de nucleación martensítica activados por la combinación de temperaturas de enfriamiento y las condiciones de tensión aplicada correlacionadas con la transformación de energía de Landau. Posteriomente, el modelo de Landau de MT es integrado con un modelo de transformación de difusión cuantitativa para elucidar la relajación atómica y la difusión de corto alcance de los elementos durante la MT en acero. El modelo de transformaciones de desplazamiento y difusión incluye los efectos de la relajación en borde de grano para la nucleación heterogenea y la evolución espacio-temporal de potenciales de difusión y movilidades químicas mediante el acoplamiento de herramientas de cálculo y bases de datos termo-cinéticos de tipo CALPHAD. El modelo se aplica para estudiar la evolución microstructural de aceros al carbono policristalinos procesados por enfriamiento y partición (Q&P) en 2D. La microstructura y la composición obtenida mediante la simulación se comparan con los datos experimentales disponibles. Los resultados muestran el importante papel jugado por las diferencias en movilidad de difusión entre la fase austenita y martensita en la distibución de carbono en las aceros. Finalmente, un modelo multi-campo es propuesto mediante la incorporación del modelo de dislocación en grano-grueso al modelo desarrollado de Landau para incluir las diferencias morfológicas entre aceros y aleaciones con memoria de forma con la misma ruptura de simetría. La nucleación de dislocaciones, la formación de la martensita ’butterfly’, y la redistribución del carbono después del revenido son bien representadas en las simulaciones 2D del estudio de la evolución de la microstructura en aceros representativos. Con dicha simulación demostramos que incluyendo las dislocaciones obtenemos para dichos aceros, una buena comparación frente a los datos experimentales de la morfología de los bordes de macla, la existencia de austenita retenida dentro de la martensita, etc. Por tanto, basado en un modelo integral y en el desarrollo de códigos durante esta tesis, se ha creado una herramienta de modelización multiescala y multi-campo. Dicha herramienta acopla la termodinámica y la mecánica del continuo en la macroescala con la cinética de difusión y los modelos de campo de fase/Landau en la mesoescala, y también incluye los principios de la cristalografía y de la dinámica de red cristalina en la microescala. ABSTRACT Martensitic transformation (MT), in a narrow sense, is defined as the change of the crystal structure to form a coherent phase, or multi-variant domain structures out from a parent phase with the same composition, by small shuffles or co-operative movements of atoms. Over the past century, MTs have been discovered in different materials from steels to shape memory alloys, ceramics, and smart materials. They lead to remarkable properties such as high strength, shape memory/superelasticity effects or ferroic functionalities including piezoelectricity, electro- and magneto-striction, etc. Various theories/models have been developed, in synergy with development of solid state physics, to understand why MT can generate these rich microstructures and give rise to intriguing properties. Among the well-established theories, the Phenomenological Theory of Martensitic Crystallography (PTMC) is able to predict the habit plane and the orientation relationship between austenite and martensite. The re-interpretation of the PTMC theory within a continuum mechanics framework (CM-PTMC) explains the formation of the multivariant domain structures, while the Landau theory with inertial dynamics unravels the physical origins of precursors and other dynamic behaviors. The crystal lattice dynamics unveils the acoustic softening of the lattice strain waves leading to the weak first-order displacive transformation, etc. Though differing in statics or dynamics due to their origins in different branches of physics (e.g. continuum mechanics or crystal lattice dynamics), these theories should be inherently connected with each other and show certain elements in common within a unified perspective of physics. However, the physical connections and distinctions among the theories/models have not been addressed yet, although they are critical to further improving the models of MTs and to develop integrated models for more complex displacivediffusive coupled transformations. Therefore, this thesis started with two objectives. The first one was to reveal the physical connections and distinctions among the models of MT by means of detailed theoretical analyses and numerical simulations. The second objective was to expand the Landau model to be able to study MTs in polycrystals, in the case of displacive-diffusive coupled transformations, and in the presence of the dislocations. Starting with a comprehensive review, the physical kernels of the current models of MTs are presented. Their ability to predict MTs is clarified by means of theoretical analyses and simulations of the microstructure evolution of cubic-to-tetragonal and cubic-to-trigonal MTs in 3D. This analysis reveals that the Landau model with irreducible representation of the transformed strain is equivalent to the CM-PTMC theory and microelasticity model to predict the static features during MTs but provides better interpretation of the dynamic behaviors. However, the applications of the Landau model in structural materials are limited due its the complexity. Thus, the first result of this thesis is the development of a nonlinear Landau model with irreducible representation of strains and the inertial dynamics for polycrystals. The simulation demonstrates that the updated model is physically consistent with the CM-PTMC in statics, and also permits a prediction of a classical ’C shaped’ phase diagram of martensitic nucleation modes activated by the combination of quenching temperature and applied stress conditions interplaying with Landau transformation energy. Next, the Landau model of MT is further integrated with a quantitative diffusional transformation model to elucidate atomic relaxation and short range diffusion of elements during the MT in steel. The model for displacive-diffusive transformations includes the effects of grain boundary relaxation for heterogeneous nucleation and the spatio-temporal evolution of diffusion potentials and chemical mobility by means of coupling with a CALPHAD-type thermo-kinetic calculation engine and database. The model is applied to study for the microstructure evolution of polycrystalline carbon steels processed by the Quenching and Partitioning (Q&P) process in 2D. The simulated mixed microstructure and composition distribution are compared with available experimental data. The results show that the important role played by the differences in diffusion mobility between austenite and martensite to the partitioning in carbon steels. Finally, a multi-field model is proposed by incorporating the coarse-grained dislocation model to the developed Landau model to account for the morphological difference between steels and shape memory alloys with same symmetry breaking. The dislocation nucleation, the formation of the ’butterfly’ martensite, and the redistribution of carbon after tempering are well represented in the 2D simulations for the microstructure evolution of the representative steels. With the simulation, we demonstrate that the dislocations account for the experimental observation of rough twin boundaries, retained austenite within martensite, etc. in steels. Thus, based on the integrated model and the in-house codes developed in thesis, a preliminary multi-field, multiscale modeling tool is built up. The new tool couples thermodynamics and continuum mechanics at the macroscale with diffusion kinetics and phase field/Landau model at the mesoscale, and also includes the essentials of crystallography and crystal lattice dynamics at microscale.