Technical Challenges in the Construction of Gothic Vaults: The Gothic Theory of Structural Design

The construction of a Gothic vault implied the solution of several technical challenges. The literature on Gothic vault construction is quite large and its growth continues steadily. The main challenge of any structure is that, during and after construction, it must be "safe", that is, it must not collapse. Indeed, it must be amply safe, able to support different loads for long periods of time. Masonry architecture has shown its structural safety for centuries or millennia. The Pantheon of Rome stands today after almost 2,000 years without having needed any structural reinforcement (of course, the survival of any building implies continuous maintenance) . Hagia Sophia in Istanbul, finished in the 6th century AD, has withstood not only the dead loads but also many severe earthquakes . Finally, the Gothic cathedrals, with their appearance of weakness, are• more than a half millennium old. The question arises of what the source of this amazing strength is and how the illiterate master masons were able to design such daring and safe structures . This question is usually evaded in manuals of Gothic architecture. This is quite surprising, the structure being a fundamental part of Gothic buildings. The present article aims to give such an explanation, which has been studied in detail elsewhere. In the first part, the Gothic design methods "V ill be discussed. In the second part, the validity of these methods wi11 be verified within the frame of the modern theory of masonry structures . References have been reduced to a minimum to make the text simpler and more direct.

On the allowance for support costs in Prager-Rozvany’ optimal layout theory

A recent study by Rozvany and Sokól discussed an important topic in structural design: the allowance for support costs in the optimization process. This paper examines a frequently used kind of support —that of simple foundation with horizontal reaction by friction— that appears no covered for the Authors’ approach. A simple example is examined to illustrate the case and to apply the Authors’ method and the standard design method.

Proyectando entre ruinas : lógicas de intervención continua en la arquitectura contemporánea

Los cambios percibidos hacia finales del siglo XX y a principios del nuevo milenio, nos ha mostrado que la crisis cultural de la que somos participes refleja también una crisis de los modelos universales. Nuestra situación contemporánea, parece indicar que ya no es posible formular un sistema estético para atribuirle una vigencia universal e intemporal más allá de su estricta eficacia puntual. La referencia organizada, delimitada, invariable y específica que ofrecía cualquier emplazamiento, en tanto preexistencia, reflejaba una jerarquía del sistema formal basado en lo extensivo: la medida, las normas, el movimiento, el tiempo, la modulación, los códigos y las reglas. Sin embargo, actualmente, algunos aspectos que permanecían latentes sobre lo construido, emergen bajo connotaciones intensivas, transgrediendo la simple manifestación visual y expresiva, para centrase en las propiedades del comportamiento de la materia y la energía como determinantes de un proceso de adaptación en el entorno. A lo largo del todo el siglo XX, el desarrollo de la relación del proyecto sobre lo construido ha sido abordado, casi en exclusiva, entre acciones de preservación o intervención. Ambas perspectivas, manifestaban esfuerzos por articular un pensamiento que diera una consistencia teórica, como soporte para la producción de la acción aditiva. No obstante, en las últimas décadas de finales de siglo, la teoría arquitectónica terminó por incluir pensamientos de otros campos que parecen contaminar la visión sesgada que nos refería lo construido. Todo este entramado conceptual previo, aglomeraba valiosos intentos por dar contenido a una teoría que pudiese ser entendida desde una sola posición argumental. Es así, que en 1979 Ignasi Solá-Morales integró todas las imprecisiones que referían una actuación sobre una arquitectura existente, bajo el termino de “intervención”, el cual fue argumentado en dos sentidos: El primero referido a cualquier tipo de actuación que se puede hacer en un edificio, desde la defensa, preservación, conservación, reutilización, y demás acciones. Se trata de un ámbito donde permanece latente el sentido de intensidad, como factor común de entendimiento de una misma acción. En segundo lugar, más restringido, la idea de intervención se erige como el acto crítico a las ideas anteriores. Ambos representan en definitiva, formas de interpretación de un nuevo discurso. “Una intervención, es tanto como intentar que el edificio vuelva a decir algo o lo diga en una determinada dirección”. A mediados de 1985, motivado por la corriente de revisión historiográfica y la preocupación del deterioro de los centros históricos que recorría toda Europa, Solá-Morales se propone reflexionar sobre “la relación” entre una intervención de nueva arquitectura y la arquitectura previamente existente. Relación condicionada estrictamente bajo consideraciones lingüísticas, a su entender, en sintonía con toda la producción arquitectónica de todo el siglo XX. Del Contraste a la Analogía, resumirá las transformaciones en la concepción discursiva de la intervención arquitectónica, como un fenómeno cambiante en función de los valores culturales, pero a su vez, mostrando una clara tendencia dialógica entres dos categorías formales: El Contraste, enfatizando las posibilidades de la novedad y la diferencia; y por otro lado la emergente Analogía, como una nueva sensibilidad de interpretación del edificio antiguo, donde la semejanza y la diversidad se manifiestan simultáneamente. El aporte reflexivo de los escritos de Solá-Morales podría ser definitivo, si en las últimas décadas antes del fin de siglo, no se hubiesen percibido ciertos cambios sobre la continuidad de la expresión lingüística que fomentaba la arquitectura, hacia una especie de hipertrofia figurativa. Entre muchos argumentos: La disolución de la consistencia compositiva y el estilo unitario, la incorporación volumétrica del proyecto como dispositivo reactivo, y el cambio de visión desde lo retrospectivo hacia lo prospectivo que sugiere la nueva conservación. En este contexto de desintegración, el proyecto, en tanto incorporación o añadido sobre un edificio construido, deja de ser considerado como un apéndice volumétrico subordinado por la reglas compositivas y formales de lo antiguo, para ser considerado como un organismo de orden reactivo, que produce en el soporte existente una alteración en su conformación estructural y sistémica. La extensión, antes espacial, se considera ahora una extensión sensorial y morfológica con la implementación de la tecnología y la hiper-información, pero a su vez, marcados por una fuerte tendencia de optimización energética en su rol operativo, ante el surgimiento del factor ecológico en la producción contemporánea. En una sociedad, como la nuestra, que se está modernizando intensamente, es difícil compartir una adecuada sintonía con las formas del pasado. Desde 1790, fecha de la primera convención francesa para la conservación de monumentos, la escala de lo que se pretende preservar es cada vez más ambiciosa, tanto es así, que al día de hoy el repertorio de lo que se conserva incluye prácticamente todas las tipologías del entorno construido. Para Koolhaas, el intervalo entre el objeto y el momento en el cual se decide su conservación se ha reducido, desde dos milenios en 1882 a unas décadas hoy en día. En breve este lapso desaparecerá, demostrando un cambio radical desde lo retrospectivo hacia lo prospectivo, es decir, que dentro de poco habrá que decidir que es lo que se conserva antes de construir. Solá-Morales, en su momento, distinguió la relación entre lo nuevo y lo antiguo, entre el contraste y la analogía. Hoy casi tres décadas después, el objetivo consiste en evaluar si el modelo de intervención arquitectónica sobre lo construido se ha mantenido desde entonces o si han aparecido nuevas formas de posicionamiento del proyecto sobre lo construido. Nuestro trabajo pretende demostrar el cambio de enfoque proyectual con la preexistencia y que éste tiene estrecha relación con la incorporación de nuevos conceptos, técnicas, herramientas y necesidades que imprimen el contexto cultural, producido por el cambio de siglo. Esta suposición nos orienta a establecer un paralelismo arquitectónico entre los modos de relación en que se manifiesta lo nuevo, entre una posición comúnmente asumida (Tópica), genérica y ortodoxa, fundamentada en lo visual y expresivo de las últimas décadas del siglo XX, y una realidad emergente (Heterotópica), extraordinaria y heterodoxa que estimula lo inmaterial y que parece emerger con creciente intensidad en el siglo XXI. Si a lo largo de todo el siglo XX, el proyecto de intervención arquitectónico, se debatía entre la continuidad y discontinuidad de las categorías formales marcadas por la expresión del edificio preexistente, la nueva intervención contemporánea, como dispositivo reactivo en el paisaje y en el territorio, demanda una absoluta continuidad, ya no visual, expresiva, ni funcional, sino una continuidad fisiológica de adaptación y cambio con la propia dinámica del territorio, bajo nuevas reglas de juego y desplegando planes y estrategias operativas (proyectivas) desde su propia lógica y contingencia. El objeto de esta investigación es determinar los nuevos modos de continuidad y las posibles lógicas de producción que se manifiestan dentro de la Intervención Arquitectónica, intentando superar lo aparente de su relación física y visual, como resultado de la incorporación del factor operativo desplegado por el nuevo dispositivo contemporáneo. Creemos que es acertado mantener la senda connotativa que marca la denominación intervención arquitectónica, por aglutinar conceptos y acercamientos teóricos previos que han ido evolucionando en el tiempo. Si bien el término adolece de mayor alcance operativo desde su formulación, una cualidad que infieren nuestras lógicas contemporáneas, podría ser la reformulación y consolidación de un concepto de intervención más idóneo con nuestros tiempos, anteponiendo un procedimiento lógico desde su propia necesidad y contingencia. Finalmente, nuestro planteamiento inicial aspira a constituir un nueva forma de reflexión que nos permita comprender las complejas implicaciones que infiere la nueva arquitectura sobre la preexistencia, motivada por las incorporación de factores externos al simple juicio formal y expresivo preponderante a finales del siglo XX. Del mismo modo, nuestro camino propuesto, como alternativa, permite proyectar posibles sendas de prospección, al considerar lo preexistente como un ámbito que abarca la totalidad del territorio con dinámicas emergentes de cambio, y con ellas, sus lógicas de intervención.Abstract The perceived changes towards the end of the XXth century and at the beginning of the new milennium have shown us that the cultural crisis in which we participate also reflects a crisis of the universal models. The difference between our contemporary situation and the typical situations of modern orthodoxy and post-modernistic fragmentation, seems to indicate that it is no longer possible to formulate a valid esthetic system, to assign a universal and eternal validity to it beyond its strictly punctual effectiveness; which is even subject to questioning because of the continuous transformations that take place in time and in the sensibility of the subject itself every time it takes over the place. The organised reference that any location offered, limited, invariable and specific, while pre-existing, reflected a hierarchy of the formal system based on the applicable: measure, standards, movement, time, modulation, codes and rules. Authors like Marshall Mc Luhan, Paul Virilio, or Marc Augé anticipated a reality where the conventional system already did not seem to respond to the new architectural requests in which information, speed, disappearance and the virtual had blurred the traditional limits of place; pre-existence did no longer possess a specific delimitation and, on the contrary, they expect to reach a global scale. Currently, some aspects that stayed latent relating to the constructed, surface from intensive connotations, transgressing the simple visual and expressive manifestation in order to focus on the traits of the behaviour of material and energy as determinants of a process of adaptation to the surroundings. Throughout the entire Century, the development of the relation of the project relating to the constructed has been addressed, almost exclusively, in preservational or interventianal actions. Both perspectives showed efforts in order to express a thought that would give a theoretical consistency as a base for the production of the additive action. Nevertheless, the last decades of the Century, architectural theory ended up including thoughts from other fields that seem to contaminate the biased vision 15 which the constructed related us. Ecology, planning, philosophy, global economy, etc, suggest new approaches to the construction of the contemporary city; but this time with a determined idea of change and continuous transformation, that enriches the panorama of thought and architectural practice, at the same time, according to some, it puts disciplinary specification at risk, given that there is no architecture without destruction, the constructed organism requires mutation in order to adjust to the change of shape. All of this previous conceptual framework gathered valuable intents to give importance to a theory that could be understood solely from an argumental position. Thusly, in 1979 Ignasi Solá-Morales integrated all of the imprecisions that referred to an action in existing architecture under the term of “Intervention”, which was explained in two ways: The first referring to any type of intervention that can be carried out in a building, regarding protection, conservation, reuse, etc. It is about a scope where the meaning of intensity stays latent as a common factor of the understanding of a single action. Secondly, more limitedly, the idea of intervention is established as the critical act to the other previous ideas such as restauration, conservation, reuse, etc. Both ultimately represent ways of interpretation of a new speech. “An intervention, is as much as trying to make the building say something again or that it be said in a certain direction”. Mid 1985, motivated by the current of historiographical revision and the concerns regarding the deterioration of historical centres that traversed Europe, Solá-Morales decides to reflect on “the relationship” between an intervention of the new architecture and the previously existing architecture. A relationship determined strictly by linguistic considerations, to his understanding, in harmony with all of the architectural production of the XXth century. From Contrast to Analogy would summarise transformations in the discursive perception of architectural intervention, as a changing phenomenon depending on cultural values, but at the same time, showing a clear dialogical tendency between two formal categories: Contrast, emphasising the possibilities of novelty and difference; and on the other hand the emerging Analogy, as a new awareness of interpretation of the ancient building, where the similarity and diversity are manifested simultaneously. For Solá-Morales the analogical procedure is not based on the visible simultaneity of formal orders, but on associations that the subject establishes throughout time. Through analogy it is tried to overcome the simple visual relationship with the antique, to focus on its spacial, physical and geographical nature. If the analogical attempt guides an opening towards a new continuity; it still persists in the connection of dimensional, typological and figurative factors, subordinate to the formal hierarchy of the preexisting subjects. 16 The reflexive contribution of Solá-Morales’ works could be final, if in the last decades before the end of the century there had not been certain changes regarding linguistic expression, encouraged by architecture, towards a kind of figurative hypertrophy, amongst many arguments we are in this case interested in three moments: The dissolution of the compositional consistency and the united style, the volumetric incorporation of the project as a reactive mechanism, and the change of the vision from retrospective towards prospective that the new conservation suggests. The recurrence to the history of architecture and its recognisable forms, as a way of perpetuating memory and establishing a reference, dissolved any instinct of compositive unity and style, provoking permanent relationships to tend to disappear. The composition and coherence lead to suppose a type of discontinuity of isolated objects in which only possible relationships could appear; no longer as an order of certain formal and compositive rules, but as a special way of setting elements in a specific work. The new globalised field required new forms of consistency between the project and the pre-existent subject, motivated amongst others by the higher pace of market evolution, increase of consumer tax and the level of information and competence between different locations; aspects which finally made stylistic consistence inefficient. In this context of disintegration, the project, in incorporation as well as added to a constructed building, stops being considered as a volumetric appendix subordinate to compositive and formal rules of old, to be considered as an organism of reactive order, that causes a change in the structural and systematic configuration of the existing foundation. The extension, previsouly spatial, is now considered a sensorial and morphological extension, with the implementation of technology and hyper-information, but at the same time, marked by a strong tendency of energetic optimization in its operational role, facing the emergence of the ecological factor in contemporary production. The technological world turns into a new nature, a nature that should be analysed from ecological terms; in other words, as an event of transition in the continuous redistribution of energy. In this area, effectiveness is not only determined by the capacity of adaptation to changing conditions, but also by its transforming capacity “expressly” in order to change an environment. In a society, like ours, that is modernising intensively, it is difficult to share an adecuate agreement with the forms of the past. From 1790, the date of the first French convention for the conservation of monuments, the scale of what is expexted to be preserved is more and more ambitious, so much so that nowadays the repertoire of that what is conserved includes practically all typologies of the constructed surroundings. For Koolhaas, the ínterval between the object and the moment when its conservation is decided has been reduced, from two 17 milennia in 1882 to a few decades nowadays. Shortly this lapse will disappear, showing a radical change of retrospective towards prospective, that is to say, that soon it will be necessary to decide what to conserve before constructing. The shapes of cities are the result of the continuous incorporation of architecture, and perhaps that only through architecture the response to the universe can be understood, the continuity of what has already been constructed. Our work is understood also within that system, modifying the field of action and leaving the road ready for the next movement of those that will follow after us. Continuity does not mean conservatism, continuity means being conscient of the transitory value of our answers to specific needs, accepting the change that we have received. That what has been constructed to remain and last, should cause future interventions to be integrated in it. It is necessary to accept continuity as a rule. Solá-Morales, in his time, distinguished between the relationship with new and old, between contrast and analogy. Today, almost three decades later, the objective consists of evaluating whether the model of architectural intervention in the constructed has been maintained since then or if new ways of positioning the project regarding the constructed have appeared. Our work claims to show the change of the approach of projects with pre-existing subjects and that this has got a close relation to the incorporation of new concepts, techniques, tools and necessities that impress the cultural context, caused by the change of centuries. This assumption guides us to establish a parallelism between the forms of connection where that what is new is manifested between a commonly assumed (topical), generic and orthodox position, based on that what is visual and expressive in the last decades of the XXth century, and an emerging (heterotopical), extraordinary and heterodox reality that stimulates the immaterial and that seems to emerge with growing intensity in the XXIst century. If throughout the XXth century the project of architectural intervention was considered from the continuity and discontinuity of formal categories, marked by the expression of the pre-existing building, the new contemporary intervention, as a reactive device in the landscape and territory, demands an absolute continuity. No longer a visual, expressive or functional one but a morphological continuity of adaptation and change with its own territorial dynamics, under new game rules and unfolding new operative (projective) strategies from its own logic and contingency. 18 The aim of this research is to determine new forms of continuity and the possible logic of production that are expressed in the Architectural Intervention, trying to overcome the obviousness of its physical and visual relationship, at the beginning of this new century, as a result of the incorporation of the operative factor that the new architectural device unfolds. We think it is correct to maintain the connotative path that marks the name architectural intervention by bringing previous concepts and theorical approaches that have been evolving through time together. If the name suffers from a wider operational range because of its formulation, a quality that our contemporary logic provokes, the reformulation and consolidation of an interventional concept could be more suitable for our times, giving preference to a logical method from its own necessity and contingency. It seems that now time shapes the topics, it is no longer about materialising a certain time but about expressing the changes that its new temporality generates. Finally, our initial approach aspires to form a new way of reflection that permits us to understand the complex implications that the new architecture submits the pre-existing subject to, motivated by the incorporation of factors external to simple formal and expressive judgement, prevailing at the end of the XXth century. In the same way, our set road, as an alternative, permits the contemplation of possible research paths, considering that what is pre-existing as an area that spans the whole territory with emerging changing dynamics and, with them, their interventional logics.

Quasiperiodic Graphs: Structural Design, Scaling and Entropic Properties

A novel class of graphs, here named quasiperiodic, are const ructed via application of the Horizontal Visibility algorithm to the time series generated along the quasiperiodic route to chaos. We show how the hierarchy of mode-locked regions represented by the Far ey tree is inherited by their associated graphs. We are able to establish, via Renormalization Group (RG) theory, the architecture of the quasiperiodic graphs produced by irrational winding numbers with pure periodic continued fraction. And finally, we demonstrate that the RG fixed-point degree distributions are recovered via optimization of a suitably defined graph entropy

Análisis y modelización de la dinámica emergente durante el proceso de difusión de información en las redes sociales de internet

Durante la actividad diaria, la sociedad actual interactúa constantemente por medio de dispositivos electrónicos y servicios de telecomunicaciones, tales como el teléfono, correo electrónico, transacciones bancarias o redes sociales de Internet. Sin saberlo, masivamente dejamos rastros de nuestra actividad en las bases de datos de empresas proveedoras de servicios. Estas nuevas fuentes de datos tienen las dimensiones necesarias para que se puedan observar patrones de comportamiento humano a grandes escalas. Como resultado, ha surgido una reciente explosión sin precedentes de estudios de sistemas sociales, dirigidos por el análisis de datos y procesos computacionales. En esta tesis desarrollamos métodos computacionales y matemáticos para analizar sistemas sociales por medio del estudio combinado de datos derivados de la actividad humana y la teoría de redes complejas. Nuestro objetivo es caracterizar y entender los sistemas emergentes de interacciones sociales en los nuevos espacios tecnológicos, tales como la red social Twitter y la telefonía móvil. Analizamos los sistemas por medio de la construcción de redes complejas y series temporales, estudiando su estructura, funcionamiento y evolución en el tiempo. También, investigamos la naturaleza de los patrones observados por medio de los mecanismos que rigen las interacciones entre individuos, así como medimos el impacto de eventos críticos en el comportamiento del sistema. Para ello, hemos propuesto modelos que explican las estructuras globales y la dinámica emergente con que fluye la información en el sistema. Para los estudios de la red social Twitter, hemos basado nuestros análisis en conversaciones puntuales, tales como protestas políticas, grandes acontecimientos o procesos electorales. A partir de los mensajes de las conversaciones, identificamos a los usuarios que participan y construimos redes de interacciones entre los mismos. Específicamente, construimos una red para representar quién recibe los mensajes de quién y otra red para representar quién propaga los mensajes de quién. En general, hemos encontrado que estas estructuras tienen propiedades complejas, tales como crecimiento explosivo y distribuciones de grado libres de escala. En base a la topología de estas redes, hemos indentificado tres tipos de usuarios que determinan el flujo de información según su actividad e influencia. Para medir la influencia de los usuarios en las conversaciones, hemos introducido una nueva medida llamada eficiencia de usuario. La eficiencia se define como el número de retransmisiones obtenidas por mensaje enviado, y mide los efectos que tienen los esfuerzos individuales sobre la reacción colectiva. Hemos observado que la distribución de esta propiedad es ubicua en varias conversaciones de Twitter, sin importar sus dimensiones ni contextos. Con lo cual, sugerimos que existe universalidad en la relación entre esfuerzos individuales y reacciones colectivas en Twitter. Para explicar los factores que determinan la emergencia de la distribución de eficiencia, hemos desarrollado un modelo computacional que simula la propagación de mensajes en la red social de Twitter, basado en el mecanismo de cascadas independientes. Este modelo nos permite medir el efecto que tienen sobre la distribución de eficiencia, tanto la topología de la red social subyacente, como la forma en que los usuarios envían mensajes. Los resultados indican que la emergencia de un grupo selecto de usuarios altamente eficientes depende de la heterogeneidad de la red subyacente y no del comportamiento individual. Por otro lado, hemos desarrollado técnicas para inferir el grado de polarización política en redes sociales. Proponemos una metodología para estimar opiniones en redes sociales y medir el grado de polarización en las opiniones obtenidas. Hemos diseñado un modelo donde estudiamos el efecto que tiene la opinión de un pequeño grupo de usuarios influyentes, llamado élite, sobre las opiniones de la mayoría de usuarios. El modelo da como resultado una distribución de opiniones sobre la cual medimos el grado de polarización. Aplicamos nuestra metodología para medir la polarización en redes de difusión de mensajes, durante una conversación en Twitter de una sociedad políticamente polarizada. Los resultados obtenidos presentan una alta correspondencia con los datos offline. Con este estudio, hemos demostrado que la metodología propuesta es capaz de determinar diferentes grados de polarización dependiendo de la estructura de la red. Finalmente, hemos estudiado el comportamiento humano a partir de datos de telefonía móvil. Por una parte, hemos caracterizado el impacto que tienen desastres naturales, como innundaciones, sobre el comportamiento colectivo. Encontramos que los patrones de comunicación se alteran de forma abrupta en las áreas afectadas por la catástofre. Con lo cual, demostramos que se podría medir el impacto en la región casi en tiempo real y sin necesidad de desplegar esfuerzos en el terreno. Por otra parte, hemos estudiado los patrones de actividad y movilidad humana para caracterizar las interacciones entre regiones de un país en desarrollo. Encontramos que las redes de llamadas y trayectorias humanas tienen estructuras de comunidades asociadas a regiones y centros urbanos. En resumen, hemos mostrado que es posible entender procesos sociales complejos por medio del análisis de datos de actividad humana y la teoría de redes complejas. A lo largo de la tesis, hemos comprobado que fenómenos sociales como la influencia, polarización política o reacción a eventos críticos quedan reflejados en los patrones estructurales y dinámicos que presentan la redes construidas a partir de datos de conversaciones en redes sociales de Internet o telefonía móvil. ABSTRACT During daily routines, we are constantly interacting with electronic devices and telecommunication services. Unconsciously, we are massively leaving traces of our activity in the service providers’ databases. These new data sources have the dimensions required to enable the observation of human behavioral patterns at large scales. As a result, there has been an unprecedented explosion of data-driven social research. In this thesis, we develop computational and mathematical methods to analyze social systems by means of the combined study of human activity data and the theory of complex networks. Our goal is to characterize and understand the emergent systems from human interactions on the new technological spaces, such as the online social network Twitter and mobile phones. We analyze systems by means of the construction of complex networks and temporal series, studying their structure, functioning and temporal evolution. We also investigate on the nature of the observed patterns, by means of the mechanisms that rule the interactions among individuals, as well as on the impact of critical events on the system’s behavior. For this purpose, we have proposed models that explain the global structures and the emergent dynamics of information flow in the system. In the studies of the online social network Twitter, we have based our analysis on specific conversations, such as political protests, important announcements and electoral processes. From the messages related to the conversations, we identify the participant users and build networks of interactions with them. We specifically build one network to represent whoreceives- whose-messages and another to represent who-propagates-whose-messages. In general, we have found that these structures have complex properties, such as explosive growth and scale-free degree distributions. Based on the topological properties of these networks, we have identified three types of user behavior that determine the information flow dynamics due to their influence. In order to measure the users’ influence on the conversations, we have introduced a new measure called user efficiency. It is defined as the number of retransmissions obtained by message posted, and it measures the effects of the individual activity on the collective reacixtions. We have observed that the probability distribution of this property is ubiquitous across several Twitter conversation, regardlessly of their dimension or social context. Therefore, we suggest that there is a universal behavior in the relationship between individual efforts and collective reactions on Twitter. In order to explain the different factors that determine the user efficiency distribution, we have developed a computational model to simulate the diffusion of messages on Twitter, based on the mechanism of independent cascades. This model, allows us to measure the impact on the emergent efficiency distribution of the underlying network topology, as well as the way that users post messages. The results indicate that the emergence of an exclusive group of highly efficient users depends upon the heterogeneity of the underlying network instead of the individual behavior. Moreover, we have also developed techniques to infer the degree of polarization in social networks. We propose a methodology to estimate opinions in social networks and to measure the degree of polarization in the obtained opinions. We have designed a model to study the effects of the opinions of a small group of influential users, called elite, on the opinions of the majority of users. The model results in an opinions distribution to which we measure the degree of polarization. We apply our methodology to measure the polarization on graphs from the messages diffusion process, during a conversation on Twitter from a polarized society. The results are in very good agreement with offline and contextual data. With this study, we have shown that our methodology is capable of detecting several degrees of polarization depending on the structure of the networks. Finally, we have also inferred the human behavior from mobile phones’ data. On the one hand, we have characterized the impact of natural disasters, like flooding, on the collective behavior. We found that the communication patterns are abruptly altered in the areas affected by the catastrophe. Therefore, we demonstrate that we could measure the impact of the disaster on the region, almost in real-time and without needing to deploy further efforts. On the other hand, we have studied human activity and mobility patterns in order to characterize regional interactions on a developing country. We found that the calls and trajectories networks present community structure associated to regional and urban areas. In summary, we have shown that it is possible to understand complex social processes by means of analyzing human activity data and the theory of complex networks. Along the thesis, we have demonstrated that social phenomena, like influence, polarization and reaction to critical events, are reflected in the structural and dynamical patterns of the networks constructed from data regarding conversations on online social networks and mobile phones.

Post-fracture behavior of laminated plates after human impact test

For safety barriers the load bearing capacity of the glass when subjected to the soft body impact should be verified. The soft body pendulum test became a testing standard to classify safety glass plates. The classification of the safety glass do not consider the structural behavior when one sheet of a laminated glass is broken; in situations when the replacement of the plate could not be very urgent, structural behavior should be evaluated. The main objective of this paper is to present the structural behavior o laminated glass plates, though modal test and human impact test, including the post fracture behavior for the laminated cases. A god reproducibility and repeatability is obtained. Two main aspects of the structural behavior can be observed: the increment of the rupture load for laminated plates after the failure of the first sheet, and some similarities with a tempered monolithic behavior of equivalent thickness.

Disparate connectivity for structural and functional networks is revealed when physical location of the connected nodes is considered

Macroscopic brain networks have been widely described with the manifold of metrics available using graph theory. However, most analyses do not incorporate information about the physical position of network nodes. Here, we provide a multimodal macroscopic network characterization while considering the physical positions of nodes. To do so, we examined anatomical and functional macroscopic brain networks in a sample of twenty healthy subjects. Anatomical networks are obtained with a graph based tractography algorithm from diffusion-weighted magnetic resonance images (DW-MRI). Anatomical con- nections identified via DW-MRI provided probabilistic constraints for determining the connectedness of 90 dif- ferent brain areas. Functional networks are derived from temporal linear correlations between blood-oxygenation level-dependent signals derived from the same brain areas. Rentian Scaling analysis, a technique adapted from very- large-scale integration circuits analyses, shows that func- tional networks are more random and less optimized than the anatomical networks. We also provide a new metric that allows quantifying the global connectivity arrange- ments for both structural and functional networks. While the functional networks show a higher contribution of inter-hemispheric connections, the anatomical networks highest connections are identified in a dorsal?ventral arrangement. These results indicate that anatomical and functional networks present different connectivity organi- zations that can only be identified when the physical locations of the nodes are included in the analysis.

Multimodal integration of functional and structural brain connectivity. An application to the characterization of Mild Cognitive Impairment

La investigación para el conocimiento del cerebro es una ciencia joven, su inicio se remonta a Santiago Ramón y Cajal en 1888. Desde esta fecha a nuestro tiempo la neurociencia ha avanzado mucho en el desarrollo de técnicas que permiten su estudio. Desde la neurociencia cognitiva hoy se explican muchos modelos que nos permiten acercar a nuestro entendimiento a capacidades cognitivas complejas. Aun así hablamos de una ciencia casi en pañales que tiene un lago recorrido por delante. Una de las claves del éxito en los estudios de la función cerebral ha sido convertirse en una disciplina que combina conocimientos de diversas áreas: de la física, de las matemáticas, de la estadística y de la psicología. Esta es la razón por la que a lo largo de este trabajo se entremezclan conceptos de diferentes campos con el objetivo de avanzar en el conocimiento de un tema tan complejo como el que nos ocupa: el entendimiento de la mente humana. Concretamente, esta tesis ha estado dirigida a la integración multimodal de la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética ponderada en difusión (dMRI). Estas técnicas son sensibles, respectivamente, a los campos magnéticos emitidos por las corrientes neuronales, y a la microestructura de la materia blanca cerebral. A lo largo de este trabajo hemos visto que la combinación de estas técnicas permiten descubrir sinergias estructurofuncionales en el procesamiento de la información en el cerebro sano y en el curso de patologías neurológicas. Más específicamente en este trabajo se ha estudiado la relación entre la conectividad funcional y estructural y en cómo fusionarlas. Para ello, se ha cuantificado la conectividad funcional mediante el estudio de la sincronización de fase o la correlación de amplitudes entre series temporales, de esta forma se ha conseguido un índice que mide la similitud entre grupos neuronales o regiones cerebrales. Adicionalmente, la cuantificación de la conectividad estructural a partir de imágenes de resonancia magnética ponderadas en difusión, ha permitido hallar índices de la integridad de materia blanca o de la fuerza de las conexiones estructurales entre regiones. Estas medidas fueron combinadas en los capítulos 3, 4 y 5 de este trabajo siguiendo tres aproximaciones que iban desde el nivel más bajo al más alto de integración. Finalmente se utilizó la información fusionada de MEG y dMRI para la caracterización de grupos de sujetos con deterioro cognitivo leve, la detección de esta patología resulta relevante en la identificación precoz de la enfermedad de Alzheimer. Esta tesis está dividida en seis capítulos. En el capítulos 1 se establece un contexto para la introducción de la connectómica dentro de los campos de la neuroimagen y la neurociencia. Posteriormente en este capítulo se describen los objetivos de la tesis, y los objetivos específicos de cada una de las publicaciones científicas que resultaron de este trabajo. En el capítulo 2 se describen los métodos para cada técnica que fue empleada: conectividad estructural, conectividad funcional en resting state, redes cerebrales complejas y teoría de grafos y finalmente se describe la condición de deterioro cognitivo leve y el estado actual en la búsqueda de nuevos biomarcadores diagnósticos. En los capítulos 3, 4 y 5 se han incluido los artículos científicos que fueron producidos a lo largo de esta tesis. Estos han sido incluidos en el formato de la revista en que fueron publicados, estando divididos en introducción, materiales y métodos, resultados y discusión. Todos los métodos que fueron empleados en los artículos están descritos en el capítulo 2 de la tesis. Finalmente, en el capítulo 6 se concluyen los resultados generales de la tesis y se discuten de forma específica los resultados de cada artículo. ABSTRACT In this thesis I apply concepts from mathematics, physics and statistics to the neurosciences. This field benefits from the collaborative work of multidisciplinary teams where physicians, psychologists, engineers and other specialists fight for a common well: the understanding of the brain. Research on this field is still in its early years, being its birth attributed to the neuronal theory of Santiago Ramo´n y Cajal in 1888. In more than one hundred years only a very little percentage of the brain functioning has been discovered, and still much more needs to be explored. Isolated techniques aim at unraveling the system that supports our cognition, nevertheless in order to provide solid evidence in such a field multimodal techniques have arisen, with them we will be able to improve current knowledge about human cognition. Here we focus on the multimodal integration of magnetoencephalography (MEG) and diffusion weighted magnetic resonance imaging. These techniques are sensitive to the magnetic fields emitted by the neuronal currents and to the white matter microstructure, respectively. The combination of such techniques could bring up evidences about structural-functional synergies in the brain information processing and which part of this synergy fails in specific neurological pathologies. In particular, we are interested in the relationship between functional and structural connectivity, and how two integrate this information. We quantify the functional connectivity by studying the phase synchronization or the amplitude correlation between time series obtained by MEG, and so we get an index indicating similarity between neuronal entities, i.e. brain regions. In addition we quantify structural connectivity by performing diffusion tensor estimation from the diffusion weighted images, thus obtaining an indicator of the integrity of the white matter or, if preferred, the strength of the structural connections between regions. These quantifications are then combined following three different approaches, from the lowest to the highest level of integration, in chapters 3, 4 and 5. We finally apply the fused information to the characterization or prediction of mild cognitive impairment, a clinical entity which is considered as an early step in the continuum pathological process of dementia. The dissertation is divided in six chapters. In chapter 1 I introduce connectomics within the fields of neuroimaging and neuroscience. Later in this chapter we describe the objectives of this thesis, and the specific objectives of each of the scientific publications that were produced as result of this work. In chapter 2 I describe the methods for each of the techniques that were employed, namely structural connectivity, resting state functional connectivity, complex brain networks and graph theory, and finally, I describe the clinical condition of mild cognitive impairment and the current state of the art in the search for early biomarkers. In chapters 3, 4 and 5 I have included the scientific publications that were generated along this work. They have been included in in their original format and they contain introduction, materials and methods, results and discussion. All methods that were employed in these papers have been described in chapter 2. Finally, in chapter 6 I summarize all the results from this thesis, both locally for each of the scientific publications and globally for the whole work.

Limit load instabilities in structural elements

Este trabajo analiza distintas inestabilidades en estructuras formadas por distintos materiales. En particular, se capturan y se modelan las inestabilidades usando el método de Riks. Inicialmente, se analiza la bifurcación en depósitos cilíndricos formados por material anisótropo sometidos a carga axial y presión interna. El análisis de bifurcación y post-bifurcación asociados con cilindros de pared gruesa se formula para un material incompresible reforzado con dos fibras que son mecánicamente equivalentes y están dispuestas simétricamente. Consideramos dos casos en la naturaleza de la anisotropía: (i) Fibras refuerzo que tienen una influencia particular sobre la respuesta a cortante del material y (ii) Fibras refuerzo que influyen sólo si la fibra cambia de longitud con la deformación. Se analiza la propagación de las inestabilidades. En concreto, se diferencia en el abultamiento (bulging) entre la propagación axial y la propagación radial de la inestabilidad. Distintos modelos sufren una u otra propagación. Por último, distintas inestabilidades asociadas al mecanismo de ablandamiento del material (material softening) en contraposición al de endurecimiento (hardening) en una estructura (viga) de a: hormigón y b: hormigón reforzado son modeladas utilizando una metodología paralela a la desarrollada en el análisis de inestabilidades en tubos sometidos a presión interna. This present work deals with the instability of structures made of various materials. It captures and models different types of instabilities using numerical analysis. Firstly, we consider bifurcation for anisotropic cylindrical shells subject to axial loading and internal pressure. Analysis of bifurcation and post bifurcation of inflated hyperelastic thick-walled cylinder is formulated using a numerical procedure based on the modified Riks method for an incompressible material with two preferred directions which are mechanically equivalent and are symmetrically disposed. Secondly, bulging/necking motion in doubly fiber-reinforced incompressible nonlinearly elastic cylindrical shells is captured and we consider two cases for the nature of the anisotropy: (i) reinforcing models that have a particular influence on the shear response of the material and (ii) reinforcing models that depend only on the stretch in the fiber direction. The different instability motions are considered. Axial propagation of the bulging instability mode in thin-walled cylinders under inflation is analyzed. We present the analytical solution for this particular motion as well as for radial expansion during bulging evolution. For illustration, cylinders that are made of either isotropic incompressible non-linearly elastic materials or doubly fiber reinforced incompressible non-linearly elastic materials are considered. Finally, strain-softening constitutive models are considered to analyze two concrete structures: a reinforced concrete beam and an unreinforced notch beam. The bifurcation point is captured using the Riks method used previously to analyze bifurcation of a pressurized cylinder.

Structural health monitoringby using transmissibility

El control del estado en el que se encuentran las estructuras ha experimentado un gran auge desde hace varias décadas, debido a que los costes de rehabilitación de estructuras tales como los oleoductos, los puentes, los edificios y otras más son muy elevados. En las últimas dos décadas, se han desarrollado una gran cantidad de métodos que permiten identificar el estado real de una estructura, basándose en modelos físicos y datos de ensayos. El ensayo modal es el más común; mediante el análisis modal experimental de una estructura se pueden determinar parámetros como la frecuencia, los modos de vibración y la amortiguación y también la función de respuesta en frecuencia de la estructura. Mediante estos parámetros se pueden implementar diferentes indicadores de daño. Sin embargo, para estructuras complejas y grandes, la implementación de metodologías basadas en la función de respuesta en frecuencia requeriría realizar hipótesis sobre la fuerza utilizada para excitar la estructura. Dado que el análisis modal operacional utiliza solamente las señales de respuesta del sistema para extraer los parámetros dinámicos estructurales y, por tanto, para evaluar el estado de una estructura, el uso de la transmisibilidad sería posible. En este sentido, dentro del análisis modal operacional, la transmisibilidad ha concentrado mucha atención en el mundo científico en la última década. Aunque se han publicado muchos trabajos sobre el tema, en esta Tesis se proponen diferentes técnicas para evaluar el estado de una estructura basándose exclusivamente en la transmisibilidad. En primer lugar, se propone un indicador de daño basado en un nuevo parámetro, la coherencia de transmisibilidad; El indicador se ha valido mediante resultados numéricos y experimentales obtenidos sobre un pórtico de tres pisos. En segundo lugar, la distancia de Mahalanobis se aplica sobre la transmisibilidad como procedimiento para detectar variaciones estructurales provocadas por el daño. Este método se ha validado con éxito sobre una viga libre-libre ensayada experimentalmente. En tercer lugar, se ha implementado una red neuronal basada en medidas de transmisibilidad como metodología de predicción de daño sobre una viga simulada numéricamente. ABSTRACT Structural health monitoring has experienced a huge development from several decades ago since the cost of rehabilitation of structures such as oil pipes, bridges and tall buildings is very high. In the last two decades, a lot of methods able to identify the real stage of a structure have been developed basing on both models and experimental data. Modal testing is the most common; by carrying out the experimental modal analysis of a structure, some parameters, such as frequency, mode shapes and damping, as well as the frequency response function of the structure can be obtained. From these parameters, different damage indicators have been proposed. However, for complex and large structures, any frequency domain approach that relies on frequency response function estimation would be of difficult application since an assumption of the input excitations to the system should be carried out. Operational modal analysis uses only output signals to extract the structural dynamic parameters and, therefore, to identify the structural stage. In this sense, within operational modal analysis, transmissibility has attracted a lot of attention in the scientific field in the last decade. In this work new damage detection approaches based on transmissibility are developed. Firstly, a new theory of transmissibility coherence is developed and it is tested with a three-floor-structure both in simulation and in experimental data analysis; secondly, Mahalanobis distance is taken into use with the transmissibility, and a free-free beam is used to test the approach performance; thirdly, neural networks are used in transmissibility for structural health monitoring; a simulated beam is used to validate the proposed method.

Structural health monitoringby using transmissibility

El control del estado en el que se encuentran las estructuras ha experimentado un gran auge desde hace varias décadas, debido a que los costes de rehabilitación de estructuras tales como los oleoductos, los puentes, los edificios y otras más son muy elevados. En las últimas dos décadas, se han desarrollado una gran cantidad de métodos que permiten identificar el estado real de una estructura, basándose en modelos físicos y datos de ensayos. El ensayo modal es el más común; mediante el análisis modal experimental de una estructura se pueden determinar parámetros como la frecuencia, los modos de vibración y la amortiguación y también la función de respuesta en frecuencia de la estructura. Mediante estos parámetros se pueden implementar diferentes indicadores de daño. Sin embargo, para estructuras complejas y grandes, la implementación de metodologías basadas en la función de respuesta en frecuencia requeriría realizar hipótesis sobre la fuerza utilizada para excitar la estructura. Dado que el análisis modal operacional utiliza solamente las señales de respuesta del sistema para extraer los parámetros dinámicos estructurales y, por tanto, para evaluar el estado de una estructura, el uso de la transmisibilidad sería posible. En este sentido, dentro del análisis modal operacional, la transmisibilidad ha concentrado mucha atención en el mundo científico en la última década. Aunque se han publicado muchos trabajos sobre el tema, en esta Tesis se proponen diferentes técnicas para evaluar el estado de una estructura basándose exclusivamente en la transmisibilidad. En primer lugar, se propone un indicador de daño basado en un nuevo parámetro, la coherencia de transmisibilidad; El indicador se ha valido mediante resultados numéricos y experimentales obtenidos sobre un pórtico de tres pisos. En segundo lugar, la distancia de Mahalanobis se aplica sobre la transmisibilidad como procedimiento para detectar variaciones estructurales provocadas por el daño. Este método se ha validado con éxito sobre una viga libre-libre ensayada experimentalmente. En tercer lugar, se ha implementado una red neuronal basada en medidas de transmisibilidad como metodología de predicción de daño sobre una viga simulada numéricamente. ABSTRACT Structural health monitoring has experienced a huge development from several decades ago since the cost of rehabilitation of structures such as oil pipes, bridges and tall buildings is very high. In the last two decades, a lot of methods able to identify the real stage of a structure have been developed basing on both models and experimental data. Modal testing is the most common; by carrying out the experimental modal analysis of a structure, some parameters, such as frequency, mode shapes and damping, as well as the frequency response function of the structure can be obtained. From these parameters, different damage indicators have been proposed. However, for complex and large structures, any frequency domain approach that relies on frequency response function estimation would be of difficult application since an assumption of the input excitations to the system should be carried out. Operational modal analysis uses only output signals to extract the structural dynamic parameters and, therefore, to identify the structural stage. In this sense, within operational modal analysis, transmissibility has attracted a lot of attention in the scientific field in the last decade. In this work new damage detection approaches based on transmissibility are developed. Firstly, a new theory of transmissibility coherence is developed and it is tested with a three-floor-structure both in simulation and in experimental data analysis; secondly, Mahalanobis distance is taken into use with the transmissibility, and a free-free beam is used to test the approach performance; thirdly, neural networks are used in transmissibility for structural health monitoring; a simulated beam is used to validate the proposed method.

Funicularity and equilibrium for high-performance conceptual structural design

Las estructuras que trabajan por forma se caracterizan por la íntima e indisociable relación entre geometría y comportamiento estructural. Por consiguiente, la elección de una apropiada geometría es el paso previo indispensable en el diseño conceptual de dichas estructuras. En esa tarea, la selección de las posibles geometrías antifuniculares para las distribuciones de cargas permanentes más habituales son más bien limitadas y, muchas veces, son criterios no estructurales (adaptabilidad funcional, estética, proceso constructivo, etc.) los que no permiten la utilización de dichas geometrías que garantizarían el máximo aprovechamiento del material. En este contexto, esta tesis estudia la posibilidad de obtener una estructura sin momentos flectores incluso si la geometría no es antifunicular para sus cargas permanentes. En efecto, esta tesis presenta un procedimiento, basado en la estática gráfica, que demuestra cómo un conjunto de cargas adicionales, introducidas a través de un sistema de pretensado exterior con elementos post-tesos, puede eliminar los momentos flectores debidos a cargas permanentes en cualquier geometría plana. Esto se traduce en una estructura antifunicular que proporciona respuestas innovadoras a demandas conjuntas de versatilidad arquitectónica y optimización del material. Dicha metodología gráfica ha sido implementada en un software distribuido libremente (EXOEQUILIBRIUM), donde el análisis estructural y la variación geométrica están incluidos en el mismo entorno interactivo y paramétrico. La utilización de estas herramientas permite más versatilidad en la búsqueda de nuevas formas eficientes, lo cual tiene gran importancia en el diseño conceptual de estructuras, liberando al ingeniero de la limitación del propio cálculo y de la incomprensión del comportamiento estructural, facilitando extraordinariamente el hecho creativo a la luz de una metodología de este estilo. Esta tesis incluye la aplicación de estos procedimientos a estructuras de cualquier geometría y distribución inicial de cargas, así como el estudio de diferentes posibles criterios de diseño para optimizar la posición del sistema de post-tesado. Además, la metodología ha sido empleada en el proyecto de maquetas a escala reducida y en la construcción de un pabellón hecho enteramente de cartón, lo que ha permitido obtener una validación física del procedimiento desarrollado. En definitiva, esta tesis expande de manera relevante el rango de posibles geometrías antifuniculares y abre enormes posibilidades para el diseño de estructuras que combinan eficiencia estructural y flexibilidad arquitectónica.Curved structures are characterized by the critical relationship between their geometry and structural behaviour, and selecting an appropriate shape in the conceptual design of such structures is important for achieving materialefficiency. However, the set of bending-free geometries are limited and, often, non-structural design criteria (e.g., usability, architectural needs, aesthetics) prohibit the selection of purely funicular or antifunicular shapes. In response to this issue, this thesis studies the possibility of achieving an axial-only behaviour even if the geometry departs from the ideally bending-free shape. This dissertation presents a new design approach, based on graphic statics that shows how bending moments in a two-dimensional geometry can be eliminated by adding forces through an external post-tensioning system. This results in bending-free structures that provide innovative answers to combined demands on versatility and material optimization. The graphical procedure has been implemented in a free-downloadable design-driven software (EXOEQUILIBRIUM) where structural performance evaluations and geometric variation are embedded within an interactive and parametric working environment. This provides greater versatility in finding new efficient structural configurations during the first design stages, bridging the gap between architectural shaping and structural analysis. The thesis includes the application of the developed graphical procedure to shapes with random curvature and distribution of loads. Furthermore, the effect of different design criteria on the internal force distribution has been analyzed. Finally, the construction of reduced- and large-scale models provides further physical validation of the method and insights about the structural behaviour of these structures. In summary, this work strongly expands the range of possible forms that exhibit a bending-free behaviour and, de facto, opens up new possibilities for designs that combine high-performing solutions with architectural freedom.

Some examples of the simultaneous use of closed-form and numerical solutions in shell structural analysis

The computational advantages of the use of different approaches -numerical and analytical ones- to the analysis of different parts of the same shell structure are discussed. Examples of large size problems that can be reduced to those more suitable to be handled by a personal related axisyrometric finite elements, local unaxisymmetric shells, geometric quasi-regular shells, infinite elements and homogenization techniques are described

The folded plate model in structural analysis. Elastic, plastic and dynamic formulations for nonprismatic structures

A specific numerical procedure for the analysis of arbitrary nonprismatic folded plate structures is presented. An elastic model is studied and compared with a harmonic solution for a prismatic structure. An extension to the plastic analysis is developed, and the influence of the structural geometry and loading pattern is analyzed. Nonprismatic practical cases, with arbitrary geometry and loading are shown, as well in the elastic range as in the plastic one. Finally, a dynamic formulation is outlined

Optimal design of a beam subjected to compression forces in the framework of different structural models

The optimal design of a vertical cantilever beam is presented in this paper. The beam is assumed immersed in an elastic Winkler soil and subjected to several loads: a point force at the tip section, its self weight and a uniform distributed load along its length. lbe optimal design problem is to find the beam of a given length and minimum volume, such that the resultant compressive stresses are admisible. This prohlem is analyzed according to linear elasticity theory and within different alternative structural models: column, Navier-Bernoulli beam-column, Timoshenko beamcolumn (i.e. with shear strain) under conservative loads, typically, constant direction loads. Results obtained in each case are compared, in order to evaluate the sensitivity of model on the numerical results. The beam optimal design is described by the section distribution layout (area, second moment, shear area etc.) along the beam span and the corresponding beam total volume. Other situations, some of them very interesting from a theoretical point of view, with follower loads (Beck and Leipholz problems) are also discussed, leaving for future work numerical details and results.