Electromagnetic Instability Studies in Fusion Plasmas Edge

Este trabajo esta dedicado al estudio de las estructuras macroscópicas conocidas en la literatura como filamentos o blobs que han sido observadas de manera universal en el borde de todo tipo de dispositivos de fusión por confinamiento magnético. Estos filamentos, celdas convectivas elongadas a lo largo de las líneas de campo que surgen en el plasma fuertemente turbulento que existe en este tipo de dispositivos, parecen dominar el transporte radial de partículas y energía en la región conocida como Scrape-off Layer, en la que las líneas de campo dejan de estar cerradas y el plasma es dirigido hacia la pared sólida que forma la cámara de vacío. Aunque el comportamiento y las leyes de escala de estas estructuras son relativamente bien conocidos, no existe aún una teoría generalmente aceptada acerca del mecanismo físico responsable de su formación, que constituye una de las principales incógnitas de la teoría de transporte del borde en plasmas de fusión y una cuestión de gran importancia práctica en el desarrollo de la siguiente generación de reactores de fusión (incluyendo dispositivos como ITER y DEMO), puesto que la eficiencia del confinamiento y la cantidad de energía depositadas en la pared dependen directamente de las características del transporte en el borde. El trabajo ha sido realizado desde una perspectiva eminentemente experimental, incluyendo la observación y el análisis de este tipo de estructuras en el stellarator tipo heliotrón LHD (un dispositivo de gran tamaño, capaz de generar plasmas de características cercanas a las necesarias en un reactor de fusión) y en el stellarator tipo heliac TJ-II (un dispositivo de medio tamaño, capaz de generar plasmas relativamente más fríos pero con una accesibilidad y disponibilidad de diagnósticos mayor). En particular, en LHD se observó la generación de filamentos durante las descargas realizadas en configuración de alta _ (alta presión cinética frente a magnética) mediante una cámara visible ultrarrápida, se caracterizó su comportamiento y se investigó, mediante el análisis estadístico y la comparación con modelos teóricos, el posible papel de la Criticalidad Autoorganizada en la formación de este tipo de estructuras. En TJ-II se diseñó y construyó una cabeza de sonda capaz de medir simultáneamente las fluctuaciones electrostáticas y electromagnéticas del plasma. Gracias a este nuevo diagnóstico se pudieron realizar experimentos con el fin de determinar la presencia de corriente paralela a través de los filamentos (un parámetro de gran importancia en su modelización) y relacionar los dos tipos de fluctuaciones por primera vez en un stellarator. Así mismo, también por primera vez en este tipo de dispositivo, fue posible realizar mediciones simultáneas de los tensores viscoso y magnético (Reynolds y Maxwell) de transporte de cantidad de movimiento. ABSTRACT This work has been devoted to the study of the macroscopic structures known in the literature as filaments or blobs, which have been observed universally in the edge of all kind of magnetic confinement fusion devices. These filaments, convective cells stretching along the magnetic field lines, arise from the highly turbulent plasma present in this kind of machines and seem to dominate radial transport of particles and energy in the region known as Scrapeoff Layer, in which field lines become open and plasma is directed towards the solid wall of the vacuum vessel. Although the behavior and scale laws of these structures are relatively well known, there is no generally accepted theory about the physical mechanism involved in their formation yet, which remains one of the main unsolved questions in the fusion plasmas edge transport theory and a matter of great practical importance for the development of the next generation of fusion reactors (including ITER and DEMO), since efficiency of confinement and the energy deposition levels on the wall are directly dependent of the characteristics of edge transport. This work has been realized mainly from an experimental perspective, including the observation and analysis of this kind of structures in the heliotron stellarator LHD (a large device capable of generating reactor-relevant plasma conditions) and in the heliac stellarator TJ-II (a medium-sized device, capable of relatively colder plasmas, but with greater ease of access and diagnostics availability). In particular, in LHD, the generation of filaments during high _ discharges (with high kinetic to magnetic pressure ratio) was observed by means of an ultrafast visible camera, and the behavior of this structures was characterized. Finally, the potential role of Self-Organized Criticality in the generation of filaments was investigated. In TJ-II, a probe head capable of measuring simultaneously electrostatic and electromagnetic fluctuations in the plasma was designed and built. Thanks to this new diagnostic, experiments were carried out in order to determine the presence of parallel current through filaments (one of the most important parameters in their modelization) and to related electromagnetic (EM) and electrostatic (ES) fluctuations for the first time in an stellarator. As well, also for the first time in this kind of device, measurements of the viscous and magnetic momentum transfer tensors (Reynolds and Maxwell) were performed.

Modelado de sistemas de inteligencia ambiental para el entrenamiento de las cualidades físicas

En un ejercicio no extenuante la frecuencia cardíaca (FC) guarda una relación lineal con el consumo máximo de oxígeno (V O2max) y se suele usar como uno de los parámetros de referencia para cuantificar la capacidad del sistema cardiovascular. Normalmente la frecuencia cardíaca puede remplazar el porcentaje de V O2max en las prescripciones básicas de ejercicio para la mejora de la resistencia aeróbica. Para obtener los mejores resultados en la mejora de la resistencia aeróbica, el entrenamiento de los individuos se debe hacer a una frecuencia cardíaca suficientemente alta, para que el trabajo sea de predominio dinámico con la fosforilación oxidativa como fuente energética primaria, pero no tan elevada que pueda suponer un riesgo de infarto de miocardio para el sujeto que se está entrenando. Los programas de entrenamiento de base mínima y de base óptima, con ejercicios de estiramientos para prevenir lesiones, son algunos de los programas más adecuados para el entrenamiento de la resistencia aeróbica porque maximizan los beneficios y minimizan los riesgos para el sistema cardiovascular durante las sesiones de entrenamiento. En esta tesis, se ha definido un modelo funcional para sistemas de inteligencia ambiental capaz de monitorizar, evaluar y entrenar las cualidades físicas que ha sido validado cuando la cualidad física es la resistencia aeróbica. El modelo se ha implementado en una aplicación Android utilizando la camiseta inteligente “GOW running” de la empresa Weartech. El sistema se ha comparado en el Laboratorio de Fisiología del Esfuerzo (LFE) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) durante la realización de pruebas de esfuerzo. Además se ha evaluado un sistema de guiado con voz para los entrenamientos de base mínima y de base óptima. También el desarrollo del software ha sido validado. Con el uso de cuestionarios sobre las experiencias de los usuarios utilizando la aplicación se ha evaluado el atractivo de la misma. Por otro lado se ha definido una nueva metodología y nuevos tipos de cuestionarios diseñados para evaluar la utilidad que los usuarios asignan al uso de un sistema de guiado por voz. Los resultados obtenidos confirman la validez del modelo. Se ha obtenido una alta concordancia entre las medidas de FC hecha por la aplicación Android y el LFE. También ha resultado que los métodos de estimación del VO2max de los dos sistemas pueden ser intercambiables. Todos los usuarios que utilizaron el sistema de guiado por voz para entrenamientos de 10 base mínima y de base óptimas de la resistencia aeróbica consiguieron llevar a cabo las sesiones de entrenamientos con un 95% de éxito considerando unos márgenes de error de un 10% de la frecuencia cardíaca máxima teórica. La aplicación fue atractiva para los usuarios y hubo también una aceptación del sistema de guiado por voz. Se ha obtenido una evaluación psicológica positiva de la satisfacción de los usuarios que interactuaron con el sistema. En conclusión, se ha demostrado que es posible desarrollar sistemas de Inteligencia Ambiental en dispositivos móviles para la mejora de la salud. El modelo definido en la tesis es el primero modelo funcional teórico de referencia para el desarrollo de este tipo de aplicaciones. Posteriores estudios se realizarán con el objetivo de extender dicho modelo para las demás cualidades físicas que suponen modelos fisiológicos más complejos como por ejemplo la flexibilidad. Abstract In a non-strenuous exercise, the heart rate (HR) shows a linear relationship with the maximum volume of oxygen consumption (V O2max) and serves as an indicator of performance of the cardiovascular system. The heart rate replaces the %V O2max in exercise program prescription to improve aerobic endurance. In order to achieve an optimal effect during endurance training, the athlete needs to work out at a heart rate high enough to trigger the aerobic metabolism, while avoiding the high heart rates that bring along significant risks of myocardial infarction. The minimal and optimal base training programs, followed by stretching exercises to prevent injuries, are adequate programs to maximize benefits and minimize health risks for the cardiovascular system during single session training. In this thesis, we have defined an ambient intelligence system functional model that monitors, evaluates and trains physical qualities, and it has been validated for aerobic endurance. It is based on the Android System and the “GOW Running” smart shirt. The system has been evaluated during functional assessment stress testing of aerobic endurance in the Stress Physiology Laboratory (SPL) of the Technical University of Madrid (UPM). Furthermore, a voice system, designed to guide the user through minimal and optimal base training programs, has been evaluated. Also the software development has been evaluated. By means of user experience questionnaires, we have rated the attractiveness of the android application. Moreover, we have defined a methodology and a new kind of questionnaires in order to assess the user experience with the audio exercise guide system. The results obtained confirm the model. We have a high similarity between HR measurements made of our system and the one used by SPL. We have also a high correlation between the VO2max estimations of our system and the SPL system. All users, that tried the voice guidance system for minimal and optimal base training programs, were able to perform the 95% of the training session with an error lower than the 10% of theoretical maximum heart rate. The application appeared attractive to the users, and it has also been proven that the voice guidance system was useful. As result we obtained a positive evaluation of the users' satisfaction while they interacted with the system. In conclusion, it has been demonstrated that is possible to develop mobile Ambient Intelligence applications for the improvement of healthy lifestyle. AmIRTEM model is the first theoretical reference functional model for the design of this kind of applications. Further studies will be realized in order to extend the AmIRTEM model to other physical qualities whose physiological models are more complex than the aerobic endurance.

Thermo-Mechanical Treatment Effects on Stress Relaxation and Hydrogen Embrittlement of Cold-Drawn Eutectoid Steels

The effects of the temperature and stretching levels used in the stress-relieving treatment of cold-drawn eutectoid steel wires are evaluated with the aim of improving the stress relaxation behavior and the resistance to hydrogen embrittlement. Five industrial treatments are studied, combining three temperatures (330, 400, and 460 °C) and three stretching levels (38, 50 and 64% of the rupture load). The change of the residual stress produced by the treatments is taken into consideration to account for the results. Surface residual stresses allow us to explain the time to failure in standard hydrogen embrittlement tests

Icosahedral Ni nanowires formed from nanocontacts breaking: Identification and characterization by Molecular Dynamics

We present and discuss an algorithm to identify and characterize the long icosahedral structures (staggered pentagonal nanowires with 1-5-1-5 atomic structure) that appear in Molecular Dynamics simulations of metallic nanowires of different species subjected to stretching. The use of this algorithm allows the identification of pentagonal rings forming the icosahedral structure as well as the determination of its number np , and the maximum length of the pentagonal nanowire Lpm. The algorithm is tested with some ideal structures to show its ability to discriminate between pentagonal rings and other ring structures. We applied the algorithm to Ni nanowires with temperatures ranging between 4K and 865K, stretched along the [111], [100] and [110] directions. We studied statistically the formation of pentagonal nanowires obtaining the distributions of length Lpm and number of rings np as function of the temperature. The Lpm distribution presents a peaked shape, with peaks located at fixed distances whose separation corresponds to the distance between two consecutive pentagonal rings.

Floating zone stability

The present state of de preparation of an experiment on floating liquid zones to be performed in the first Spacelab flight is presented. In this experiment,a liquid bridge is to be placed between two parallel coaxial disks (in the Fluid Physics Module)and subjected to very precise disturbances in order to check the theoretical predictions about its stability limits and behavior under mechanical inputs: stretching of the zone, filling or removing the liquid,axial vibration, rotation, disalignment, etc. Several aspects of the research are introduced:1) Relevance of the study. 2) Theoretical predictions of the liquid behavior regarding the floating-zone stability limits and the expected response to vibrational and rotational disturbances. 3) Ground support experiments using the Plateau technique or the small scale simulation. 4) Instrumental aspects of the experimentation: the Fluid Physics Module utilization and post-flight data analysis.5)Research program for future flights.

Computational Study of the Fe(CN)(2)CO Cofactor and Its Binding to HypC Protein.

In the intricate maturation process of [NiFe]-hydrogenases, the Fe(CN)2CO cofactor is first assembled in a HypCD complex with iron coordinated by cysteines from both proteins and CO is added after ligation of cyanides. The small accessory protein HypC is known to play a role in delivering the cofactor needed for assembling the hydrogenase active site. However, the chemical nature of the Fe(CN)2CO moiety and the stability of the cofactor–HypC complex are open questions. In this work, we address geometries, properties, and the nature of bonding of all chemical species involved in formation and binding of the cofactor by means of quantum calculations. We also study the influence of environmental effects and binding to cysteines on vibrational frequencies of stretching modes of CO and CN used to detect the presence of Fe(CN)2CO. Carbon monoxide is found to be much more sensitive to sulfur binding and the polarity of the medium than cyanides. The stability of the HypC–cofactor complex is analyzed by means of molecular dynamics simulation of cofactor-free and cofactor-bound forms of HypC. The results show that HypC is stable enough to carry the cofactor, but since its binding cysteine is located at the N-terminal unstructured tail, it presents large motions in solution, which suggests the need for a guiding interaction to achieve delivery of the cofactor.

Controlled time of arrival feasibility analysis

Previous research studies and operational trials have shown that using the airborne Required Time of Arrival (RTA) function, an aircraft can individually achieve an assigned time to a metering or merge point accurately. This study goes a step further and investigates the application of RTA to a real sequence of arriving aircraft into Melbourne Australia. Assuming that the actual arrival times were Controlled Time of Arrivals (CTAs) assigned to each aircraft, the study examines if the airborne RTA solution would work. Three scenarios were compared: a baseline scenario being the actual flown trajectories in a two hour time-span into Melbourne, a scenario in which the sequential landing slot times of the baseline scenario were assigned as CTAs and a third scenario in which the landing slots could be freely redistributed to the inbound traffic as CTAs. The research found that pressure on the terminal area would sometimes require aircraft to lose more time than possible through the RTA capability. Using linear holding as an additional measure to absorb extensive delays, up to 500NM (5%) of total track reduction and 1300kg (3%) of total fuel consumption could be saved in the scenario with landing slots freely distributed as CTAs, compared to the baseline scenario. Assigning CTAs in an arrival sequence requires the ground system to have an accurate trajectory predictor to propose additional delay measures (path stretching, linear holding) if necessary. Reducing the achievable time window of the aircraft to add control margin to the RTA function, had a negative impact and increased the amount of intervention other than speed control required to solve the sequence. It was concluded that the RTA capability is not a complete solution but merely a tool to assist in managing the increasing complexity of air traffic.

Multiscale analysis of the mechanical behavior of needle-punched nonwoven fabrics

Los fieltros son una familia de materiales textiles constituidos por una red desordenada de fibras conectadas por medio de enlaces térmicos, químicos o mecánicos. Presentan menor rigidez y resistencia (al igual que un menor coste de procesado) que sus homólogos tejidos, pero mayor deformabilidad y capacidad de absorción de energía. Los fieltros se emplean en diversas aplicaciones en ingeniería tales como aislamiento térmico, geotextiles, láminas ignífugas, filtración y absorción de agua, impacto balístico, etc. En particular, los fieltros punzonados fabricados con fibras de alta resistencia presentan una excelente resistencia frente a impacto balístico, ofreciendo las mismas prestaciones que los materiales tejidos con un tercio de la densidad areal. Sin embargo, se sabe muy poco acerca de los mecanismos de deformación y fallo a nivel microscópico, ni sobre como influyen en las propiedades mecánicas del material. Esta carencia de conocimiento dificulta la optimización del comportamiento mecánico de estos materiales y también limita el desarrollo de modelos constitutivos basados en mecanismos físicos, que puedan ser útiles en el diseño de componentes estructurales. En esta tesis doctoral se ha llevado a cabo un estudio minucioso con el fin de determinar los mecanismos de deformación y las propiedades mecánicas de fieltros punzonados fabricados con fibras de polietileno de ultra alto peso molecular. Los procesos de deformación y disipación de energía se han caracterizado en detalle por medio de una combinación de técnicas experimentales (ensayos mecánicos macroscópicos a velocidades de deformación cuasi-estáticas y dinámicas, impacto balístico, ensayos de extracción de una o múltiples fibras, microscopía óptica, tomografía computarizada de rayos X y difracción de rayos X de gran ángulo) que proporcionan información de los mecanismos dominantes a distintas escalas. Los ensayos mecánicos macroscópicos muestran que el fieltro presenta una resistencia y ductilidad excepcionales. El estado inicial de las fibras es curvado, y la carga se transmite por el fieltro a través de una red aleatoria e isótropa de nudos creada por el proceso de punzonamiento, resultando en la formación de una red activa de fibra. La rotación y el estirado de las fibras activas es seguido por el deslizamiento y extracción de la fibra de los puntos de anclaje mecánico. La mayor parte de la resistencia y la energía disipada es proporcionada por la extracción de las fibras activas de los nudos, y la fractura final tiene lugar como consecuencia del desenredo total de la red en una sección dada donde la deformación macroscópica se localiza. No obstante, aunque la distribución inicial de la orientación de las fibras es isótropa, las propiedades mecánicas resultantes (en términos de rigidez, resistencia y energía absorbida) son muy anisótropas. Los ensayos de extracción de múltiples fibras en diferentes orientaciones muestran que la estructura de los nudos conecta más fibras en la dirección transversal en comparación con la dirección de la máquina. La mejor interconectividad de las fibras a lo largo de la dirección transversal da lugar a una esqueleto activo de fibras más denso, mejorando las propiedades mecánicas. En términos de afinidad, los fieltros deformados a lo largo de la dirección transversal exhiben deformación afín (la deformación macroscópica transfiere directamente a las fibras por el material circundante), mientras que el fieltro deformado a lo largo de la dirección de la máquina presenta deformación no afín, y la mayor parte de la deformación macroscópica no es transmitida a las fibras. A partir de estas observaciones experimentales, se ha desarrollado un modelo constitutivo para fieltros punzonados confinados por enlaces mecánicos. El modelo considera los efectos de la deformación no afín, la conectividad anisótropa inducida durante el punzonamiento, la curvatura y re-orientación de la fibra, así como el desenredo y extracción de la fibra de los nudos. El modelo proporciona la respuesta de un mesodominio del material correspondiente al volumen asociado a un elemento finito, y se divide en dos bloques. El primer bloque representa el comportamiento de la red y establece la relación entre el gradiente de deformación macroscópico y la respuesta microscópica, obtenido a partir de la integración de la respuesta de las fibras en el mesodominio. El segundo bloque describe el comportamiento de la fibra, teniendo en cuenta las características de la deformación de cada familia de fibras en el mesodominio, incluyendo deformación no afín, estiramiento, deslizamiento y extracción. En la medida de lo posible, se ha asignado un significado físico claro a los parámetros del modelo, por lo que se pueden identificar por medio de ensayos independientes. Las simulaciones numéricas basadas en el modelo se adecúan a los resultados experimentales de ensayos cuasi-estáticos y balísticos desde el punto de vista de la respuesta mecánica macroscópica y de los micromecanismos de deformación. Además, suministran información adicional sobre la influencia de las características microstructurales (orientación de la fibra, conectividad de la fibra anisótropa, afinidad, etc) en el comportamiento mecánico de los fieltros punzonados. Nonwoven fabrics are a class of textile material made up of a disordered fiber network linked by either thermal, chemical or mechanical bonds. They present lower stiffness and strength (as well as processing cost) than the woven counterparts but much higher deformability and energy absorption capability and are used in many different engineering applications (including thermal insulation, geotextiles, fireproof layers, filtration and water absorption, ballistic impact, etc). In particular, needle-punched nonwoven fabrics manufactured with high strength fibers present an excellent performance for ballistic protection, providing the same ballistic protection with one third of the areal weight as compared to dry woven fabrics. Nevertheless, very little is known about their deformation and fracture micromechanisms at the microscopic level and how they contribute to the macroscopic mechanical properties. This lack of knowledge hinders the optimization of their mechanical performance and also limits the development of physically-based models of the mechanical behavior that can be used in the design of structural components with these materials. In this thesis, a thorough study was carried out to ascertain the micromechanisms of deformation and the mechanical properties of a needle-punched nonwoven fabric made up by ultra high molecular weight polyethylene fibers. The deformation and energy dissipation processes were characterized in detail by a combination of experimental techniques (macroscopic mechanical tests at quasi-static and high strain rates, ballistic impact, single fiber and multi fiber pull-out tests, optical microscopy, X-ray computed tomography and wide angle X-ray diffraction) that provided information of the dominant mechanisms at different length scales. The macroscopic mechanical tests showed that the nonwoven fabric presented an outstanding strength and energy absorption capacity. It was found that fibers were initially curved and the load was transferred within the fabric through the random and isotropic network of knots created by needlepunching, leading to the formation of an active fiber network. Uncurling and stretching of the active fibers was followed by fiber sliding and pull-out from the entanglement points. Most of the strength and energy dissipation was provided by the extraction of the active fibers from the knots and final fracture occurred by the total disentanglement of the fiber network in a given section at which the macroscopic deformation was localized. However, although the initial fiber orientation distribution was isotropic, the mechanical properties (in terms of stiffness, strength and energy absorption) were highly anisotropic. Pull-out tests of multiple fibers at different orientations showed that structure of the knots connected more fibers in the transverse direction as compared with the machine direction. The better fiber interconnection along the transverse direction led to a denser active fiber skeleton, enhancing the mechanical response. In terms of affinity, fabrics deformed along the transverse direction essentially displayed affine deformation {i.e. the macroscopic strain was directly transferred to the fibers by the surrounding fabric, while fabrics deformed along the machine direction underwent non-affine deformation, and most of the macroscopic strain was not transferred to the fibers. Based on these experimental observations, a constitutive model for the mechanical behavior of the mechanically-entangled nonwoven fiber network was developed. The model accounted for the effects of non-affine deformation, anisotropic connectivity induced by the entanglement points, fiber uncurling and re-orientation as well as fiber disentanglement and pull-out from the knots. The model provided the constitutive response for a mesodomain of the fabric corresponding to the volume associated to a finite element and is divided in two blocks. The first one was the network model which established the relationship between the macroscopic deformation gradient and the microscopic response obtained by integrating the response of the fibers in the mesodomain. The second one was the fiber model, which took into account the deformation features of each set of fibers in the mesodomain, including non-affinity, uncurling, pull-out and disentanglement. As far as possible, a clear physical meaning is given to the model parameters, so they can be identified by means of independent tests. The numerical simulations based on the model were in very good agreement with the experimental results of in-plane and ballistic mechanical response of the fabrics in terms of the macroscopic mechanical response and of the micromechanisms of deformation. In addition, it provided additional information about the influence of the microstructural features (fiber orientation, anisotropic fiber connectivity, affinity) on the mechanical performance of mechanically-entangled nonwoven fabrics.

Monitorización de estructuras aeronáuticas mediante técnicas de inteligencia artificial

Una de las barreras para la aplicación de las técnicas de monitorización de la integridad estructural (SHM) basadas en ondas elásticas guiadas (GLW) en aeronaves es la influencia perniciosa de las condiciones ambientales y de operación (EOC). En esta tesis se ha estudiado dicha influencia y la compensación de la misma, particularizando en variaciones del estado de carga y temperatura. La compensación de dichos efectos se fundamenta en Redes Neuronales Artificiales (ANN) empleando datos experimentales procesados con la Transformada Chirplet. Los cambios en la geometría y en las propiedades del material respecto al estado inicial de la estructura (lo daños) provocan cambios en la forma de onda de las GLW (lo que denominamos característica sensible al daño o DSF). Mediante técnicas de tratamiento de señal se puede buscar una relación entre dichas variaciones y los daños, esto se conoce como SHM. Sin embargo, las variaciones en las EOC producen también cambios en los datos adquiridos relativos a las GLW (DSF) que provocan errores en los algoritmos de diagnóstico de daño (SHM). Esto sucede porque las firmas de daño y de las EOC en la DSF son del mismo orden. Por lo tanto, es necesario cuantificar y compensar el efecto de las EOC sobre la GLW. Si bien existen diversas metodologías para compensar los efectos de las EOC como por ejemplo “Optimal Baseline Selection” (OBS) o “Baseline Signal Stretching” (BSS), estas, se emplean exclusivamente en la compensación de los efectos térmicos. El método propuesto en esta tesis mezcla análisis de datos experimentales, como en el método OBS, y modelos basados en Redes Neuronales Artificiales (ANN) que reemplazan el modelado físico requerido por el método BSS. El análisis de datos experimentales consiste en aplicar la Transformada Chirplet (CT) para extraer la firma de las EOC sobre la DSF. Con esta información, obtenida bajo diversas EOC, se entrena una ANN. A continuación, la ANN actuará como un interpolador de referencias de la estructura sin daño, generando información de referencia para cualquier EOC. La comparación de las mediciones reales de la DSF con los valores simulados por la ANN, dará como resultado la firma daño en la DSF, lo que permite el diagnóstico de daño. Este esquema se ha aplicado y verificado, en diversas EOC, para una estructura unidimensional con un único camino de daño, y para una estructura representativa de un fuselaje de una aeronave, con curvatura y múltiples elementos rigidizadores, sometida a un estado de cargas complejo, con múltiples caminos de daños. Los efectos de las EOC se han estudiado en detalle en la estructura unidimensional y se han generalizado para el fuselaje, demostrando la independencia del método respecto a la configuración de la estructura y el tipo de sensores utilizados para la adquisición de datos GLW. Por otra parte, esta metodología se puede utilizar para la compensación simultánea de una variedad medible de EOC, que afecten a la adquisición de datos de la onda elástica guiada. El principal resultado entre otros, de esta tesis, es la metodología CT-ANN para la compensación de EOC en técnicas SHM basadas en ondas elásticas guiadas para el diagnóstico de daño. ABSTRACT One of the open problems to implement Structural Health Monitoring techniques based on elastic guided waves in real aircraft structures at operation is the influence of the environmental and operational conditions (EOC) on the damage diagnosis problem. This thesis deals with the compensation of these environmental and operational effects, specifically, the temperature and the external loading, by the use of the Chirplet Transform working with Artificial Neural Networks. It is well known that the guided elastic wave form is affected by the damage appearance (what is known as the damage sensitive feature or DSF). The DSF is modified by the temperature and by the load applied to the structure. The EOC promotes variations in the acquired data (DSF) and cause mistakes in damage diagnosis algorithms. This effect promotes changes on the waveform due to the EOC variations of the same order than the damage occurrence. It is difficult to separate both effects in order to avoid damage diagnosis mistakes. Therefore it is necessary to quantify and compensate the effect of EOC over the GLW forms. There are several approaches to compensate the EOC effects such as Optimal Baseline Selection (OBS) or Baseline Signal Stretching (BSS). Usually, they are used for temperature compensation. The new method proposed here mixes experimental data analysis, as in the OBS method, and Artificial Neural Network (ANN) models to replace the physical modelling which involves the BSS method. The experimental data analysis studied is based on apply the Chirplet Transform (CT) to extract the EOC signature on the DSF. The information obtained varying EOC is employed to train an ANN. Then, the ANN will act as a baselines interpolator of the undamaged structure. The ANN generates reference information at any EOC. By comparing real measurements of the DSF against the ANN simulated values, the damage signature appears clearly in the DSF, enabling an accurate damage diagnosis. This schema has been applied in a range of EOC for a one-dimensional structure containing single damage path and two dimensional real fuselage structure with stiffener elements and multiple damage paths. The EOC effects tested in the one-dimensional structure have been generalized to the fuselage showing its independence from structural arrangement and the type of sensors used for GLW data acquisition. Moreover, it can be used for the simultaneous compensation of a variety of measurable EOC, which affects the guided wave data acquisition. The main result, among others, of this thesis is the CT-ANN methodology for the compensation of EOC in GLW based SHM technique for damage diagnosis.

La estética de la deformación en la era de la cultura de masas : un proyecto de Alison y Peter Smithson

Alison Margaret Gill y Peter Denham Smithson son, o eran, ambos murieron hace ya algunos años, dos arquitectos. Así dicho, esto suena a obviedad. Sin embargo no lo es, porque siempre han sido compactados en una unidad proyectual, bien bajo las siglas Alison y Peter Smithson, o bien, más puntualmente todavía, como los Smithson. Cuando Leibniz en 1696 le dice a la princesa electora Sofía que en algo tan puntual y homogéneo aparentemente como una gota de agua, vista al microscopio, resulta haber más de un millón de animales vivos, se puede empezar a vislumbrar el resultado de la Tesis. El resultado de este trabajo no se contempla un millón de partículas pero sí dos. La obra de Alison y Peter Smithson esta conformada desde su inicio probablemente por la particularidad de que en ella intervienen tanto Gill como Smithson, aunque cada uno sea en mayor o menor medida la o el responsable de un proyecto. Puesto al microscopio el proyecto del que se ocupa la Tesis, el concurso de 1953 para la ampliación de la Universidad de Sheffield, se estima que está compuesto de dos partes diferentes y que como Los Smithson o como una gota de agua, su unidad es una mera convención, una forma de designarlo y tratarlo, que falsea en algo su apreciación, aunque, como se verá, es lo que provoca el extraño efecto que como imagen ejerce. El Capítulo I descubre la duplicidad. Reyner Banham fijó en 1955, en el artículo The New Brutalism, el modo de encarar el proyecto de Sheffield cuando proyectó sobre él lo más novedoso que en el campo de la pintura ocurría en ese momento, el Art Autre. Michel Tapié ve en el informalismo presente en las obras que él engloba como un <> rasgos que puede presentar a la luz de conceptos que extrae de Riemann, matemático del s. XIX, introductor de una nueva geometría. La Tesis remonta por tanto hasta Riemann, a la búsqueda del concepto del que penden tanto Tapié como Banham. El concepto es la variedad continua; un conjunto, cuyos elementos pueden recorrer la extensión de la variedad mediante una deformación continua, como si dijéramos, diluyéndose unos en otros sin cortes entre sí. Los ejemplos del informalismo serían, por tanto, los puntos de la variedad, formas inestables o detenciones aleatorias en este transitar continuo de un mismo objeto. La visión de cuerpos en cortes aleatorios a la evolución otorga a sus formas cualesquiera la condición de extrañeza o perturbación, produciendo un impacto en la mente que lo graba instintivamente en la materia de la memoria. Así, es la memorabilidad, dada precisamente por el impacto que supone ver cuerpos en estado evolutivo, sin una forma precisa, la propiedad que gobierna a los objetos que caen bajo el Art Autre, y es la memorabilidad el rasgo distintivo de Sheffield para Banham. Este sentido evolutivo que se puede asociar a los elementos de una variedad entra en consonancia con una variedad de estados en evolución en el marco de las especies orgánicas. No sólo como individuo sino también como especie. La coincidencia no sólo es formal, también es temporal entre el descubrimiento de Riemann de la variedad continua y el de Darwin de la evolución de las especies. Ve Darwin que algunos ejemplares presentan en su cuerpo conformaciones normales de especies diferentes, que puede entenderse como una anormalidad o defecto evolutivo, lo que él llama <>. Un ejemplar monstruoso no es capaz de abrir una escisión de la variedad y en este sentido rompe su cadena evolutiva. Es un elemento, por tanto extraño a la variedad. Lo peculiar que expone Darwin, es que la monstruosidad puede ser provocada artificialmente por motivos estéticos, como ocurre en determinados animales o plantas ornamentales. Bien, esto es exactamente lo que descubre la Tesis en el proyecto de Sheffield. La unión en un solo proyecto de dos conformaciones de naturaleza diferente. El Capítulo II indaga en la naturaleza dual de Sheffield. Y la descubre en la aplicación de dos principios que tienen múltiples derivas, pero interesante en una en particular, referida al espacio. Uno es el Principio de Posición. Bajo él se contempla la situación del concurso dada en su globalidad, en una visión totalizadora que permite buscar y destacar posiciones singulares y tener un control preciso del proyecto desde el inicio. Se dice que es la opción normal en arquitectura comprender el espacio en su conjunto y que el trazado de ejes y el reparto del espacio obedecen a este principio. Son así vistos la propuesta ganadora del equipo GMW y fundamentalmente el trazado de ejes en la obra de Le Corbusier. Una parte de Sheffield es un producto típico de este modo de proceder. Hay un segundo principio que es el Principio de Transición Continua. En los términos expuestos para la variedad de Riemann, sería como si en lugar de ver cuerpos en estados concretos, por deformados que pudieran ser, nos introdujéramos dentro de la propia variedad acoplándonos al curso de la evolución misma, en un acto de unión interior con la marcha de la evolución. Para ejercer esta acción se toma como punto inicial el extremo del edificio universitario existente, el Firth Court, y se lleva cabo un estiramiento continuo. En esto radica lo que la Tesis distingue como la ampliación, el cuerpo que se enrosca paulatinamente. Para exponer este concepto, la Tesis se apoya en un ejercicio llevado a cabo por Raymond Unwin en Hampstead, el close, o estiramiento lateral del borde de un viario para hacer surgir el espacio útil residencial. A partir del concepto de close, se deriva en la urbanística americana de principios del s. XX el concepto de cluster, que pasa a ser uno de los argumentos principales de la teoría de Alison y de Peter Smithson en los años 50. El Capítulo III plantea la dificultad de mantener la dualidad de Sheffield a primeros de los 50, sometido el proyecto de arquitectura a la unicidad que impone el criterio hegemónico de Rudolf Wittkower desde “Los Fundamentos de la Arquitectura en la Edad del Humanismo”. Como en el Capítulo I, la obligación que se traza la Tesis es remontar los orígenes de las cosas que se tratan, y en este caso, entrar en las fuentes del principio proporcional. Se descubren así los fundamentos de la proporción aritmética y geométrica en el seno del pitagorismo, sus problemas y su evolución. La postura de los dos arquitectos frente a Wittkower es de admiración, pero también de libertad. Esta libertad suya es la que defiende la Tesis. Cotejando lo que da de sí la arquitectura basada en los principios proporcionales con otra arquitectura estancada en el paso del Renacimiento al Barroco como es la arquitectura perspectiva y proyectiva, la arquitectura oblicua, recuperada a la sazón por medio de la intervención en la Tesis de Panofsky, se dirimen aspectos colaterales pero fundamentales de una renovación de los planteamientos: hay planteamientos que se dicen esencialistas y objetivos y otros funcionales y que derivan en subjetivos y relacionales. Sobre estas dos marcos de categorías el propósito que persigue la Tesis es dar cuenta de los dos principios que rigen lo visto en el Capítulo II, el Principio de Posición y el Principio de Transición Continua, responsables ambos, al 50%, de la monstruosidad detectada en Sheffield, que no es negativa, sino, como decía Darwin, la combinación en un solo cuerpo de conformaciones normales en animales de especies diferentes, incluso con fines estéticos. En Sheffield existe, y esta dibujada, la figura de una cabeza escultural con un doble rostro. Todo el trabajo de la Tesis se encamina, en definitiva, a explicar, con toda la claridad y extensión que me ha sido posible, en qué consiste ese doble rostro. ABSTRACT Peter and Alison Smithson’s work is, is from its start, very influenced by both Alison Margaret Gill and Peter Denham Smithson. The matter of study of this Thesis, the 1953 competition for the expansion of the University of Sheffield, estimated after its exam, which is composed by two different parts, which, together produce a strange effect as an image. Reyner Banham in 1955 described the image in his article “The New Brutalism” as the key argument (most iconic) for the Sheffield’s project. The way his image powerfully influences sensitivity, by perturbation, makes this a singular and memorable image. This feature, only present in Sheffield, over any other building of the time, even from the same architects, allow Banham to associate the project to Art Autre, thought by Michel Tapié as a new artistic movement, to which Sheffield will belong, in the architecture part. Tapié sees in the informalism of works considered Art Autre some aspects that can bring concepts he extracts from Riemann, XIX Century mathematician, father of the new geometry. This Thesis discovers Riemann’s concept of continuous variety, a set whose elements are able to go through variety by a continuous deformation, diluting themselves without touching each other. Examples of informalism would be, points of that variety, unstable forms or random detentions in the continuous transit of the same object. Therefore, the condition of memorability comes precisely from the impact that seeing bodies in state of evolution creates. That evolutive sense that can be associated to elements of a variety, comes together with a variety of states of evolution in the world of organic species. Not only as an individual, but as well as a species. Coincidence between Riemann and Darwin’s discoveries is not only formal, but as well temporary. Darwin observes that some individuals of concrete species present on their bodies some features, typical of other species, which may be interpreted as evolutive failure. But the most peculiar part of what Darwin exposes is that monstrosity can indeed be artificially made for aesthetical purposes, like it happens in certain animals and plants. Well, this is what the Thesis discovers in Sheffield’s project. The union in a single project of two different nature forms, of which none on the parts is a deformation of the other, but they are both irreducible. Once both parts are collated, a new system which adapts well is discovered. It is a system created by Leibniz in the XVII Century, created to distinguish to principles that clear the difference between the equation methods and differential calculus. This principles are the Principle of Position and the Principle of Continuity. This two principles, translated to the spatial analysis field are key for the two parts of the project. On the one hand, the part developing in a lineal axis belongs to the Principle of Position. This means that that there is a global vision of space after which it is decided which operation to follow, which in this case consists of establishing an axis between two singular positions of the university area. The part which is being deformed while it goes is studied as a continuous action of stretching an existing building, the Firth Court, in which there is no previous spatial analysis. The only way to understand and to explain this action is by the Principle of Continuity. So, all in all, the Thesis changes the view of Sheffield from an Art Autre work to a “monstrosity”, without the negative meaning of it, just as a combination of two different nature formations, which, at the same time, justifies its power as iconic image. Finally, I would like to point out that in the Sheffield’s project there is (drawn and also physically) a sculptural head which has the feature of representing both, a man and a woman’s face. All the work of this Thesis leads to explaining the double nature of the project, taking this double expression head as inspiration.

Mechanical behaviour and formation process of silkworm silk gut

High performance silk fibers were produced directly from the silk glands of silkworms ("Bombyx mori") following an alternative route to natural spinning. This route is based on a traditional procedure that consists of soaking the silk glands in a vinegar solution and stretching them by hand leading to the so called silkworm guts. Here we present, to the authors’ best knowledge, the first comprehensive study on the formation, properties and microstructure of silkworm gut fibers. Comparison of the tensile properties and microstructural organization of the silkworm guts with those of naturally spun fibers allows gain of a deeper insight into the mechanisms that lead to the formation of the fiber, as well as the relationship between the microstructure and properties of these materials. In this regard, it is proved that an acidic environment and subsequent application of tensile stress in the range of 1000 kPa are sufficient conditions for the formation of a silk fiber.