Development of an adequate model for verification of design safety-margins of the HTTR nuclear test facility

This work is based on the prototype High Engineering Test Reactor (HTTR) of the Japan Agency of Energy Atomic (JAEA). Its objective is to describe an adequate deterministic model to be used in the assessment of its design safety margins via damage domains. The concept of damage domain is defined and it is shown its relevance in the ongoing effort to apply dynamic risk assessment methods and tools based on the Theory of Stimulated Dynamics (TSD). To illustrate, we present results of an abnormal control rod (CR) withdrawal during subcritical condition and its comparison with results obtained by JAEA. No attempt is made yet to actually assess the detailed scenarios, rather to show how the approach may handle events of its kind

Integration of design tools and knowledge capture into a CAD system: a case study

onceptual design phase is partially supported by product lifecycle management/computer-aided design (PLM/CAD) systems causing discontinuity of the design information flow: customer needs — functional requirements — key characteristics — design parameters (DPs) — geometric DPs. Aiming to address this issue, it is proposed a knowledge-based approach is proposed to integrate quality function deployment, failure mode and effects analysis, and axiomatic design into a commercial PLM/CAD system. A case study, main subject of this article, was carried out to validate the proposed process, to evaluate, by a pilot development, how the commercial PLM/CAD modules and application programming interface could support the information flow, and based on the pilot scheme results to propose a full development framework.

The Dynamics of High-Speed Railway Bridges: A Review of Design Issues and New Research for Lateral Dynamics

The dynamic effects of high-speed trains on viaducts are important issues for the design of the structures, as well as for the consideration of safe running conditions for the trains. In this work we start by reviewing the relevance of some basic design aspects. The significance of impact factor envelopes for moving loads is considered first. Resonance which may be achieved for high-speed trains requires dynamic analysis, for which some key aspects are discussed. The relevance of performing a longitudinal distribution of axle loads, the number of modes taken in analysis, and the consideration of vehicle-structure interaction are discussed with representative examples. The lateral dynamic effects of running trains on bridges is of importance for laterally compliant viaducts, such as some very tall structures erected in new high-speed lines. The relevance of this study is mainly for the safety of the traffic, considering both internal actions such as the hunting motion as well as external actions such as wind or earthquakes [1]. These studies require three-dimensional dynamic coupled vehicle-bridge models, and consideration of wheel to rail contact, a phenomenon which is complex and costly to model in detail. We describe here a fully nonlinear coupled model, described in absolute coordinates and incorporated into a commercial finite element framework [2]. The wheel-rail contact has been considered using a FastSim algorithm which provides a compromise between accuracy and computational cost, and captures the main nonlinear response of the contact interface. Two applications are presented, firstly to a vehicle subject to a strong wind gust traversing a bridge, showing the relevance of the nonlinear wheel-rail contact model as well as the dynamic interaction between bridge and vehicle. The second application is to a real HS viaduct with a long continuous deck and tall piers and high lateral compliance [3]. The results show the safety of the traffic as well as the importance of considering features such as track alignment irregularities.

Dynamics of high-speed railway bridges: review of design issues and new research for lateral dynamics

Revisión y puesta al día de la publicaciones relacionadas con el diseño de puentes de ferrocarril de alta velocidad y nuevas investigaciones sobre dinámica lateral.

Critical comparative evaluation of design methodologies for the ultimate limit state of fatigue in concrete structures

La aparición de la fatiga ha sido ampliamente investigada en el acero y en otros materiales metálicos, sin embargo no se conoce en tanta profundidad en el hormigón estructural. Esto crea falta de uniformidad y enfoque en el proceso de verificación de estructuras de hormigón para el estado límite último de la fatiga. A medida que se llevan a cabo más investigaciones, la información sobre los parámetros que afectan a la fatiga en el hormigón comienzan a ser difundidos e incluso los que les afectan de forma indirecta. Esto conlleva a que se estén incorporando en las guías de diseño de todo el mundo, a pesar de que la comprobación del estado límite último no se trata por igual entre los distintos órganos de diseño. Este trabajo presentará un conocimiento básico del fenómeno de la fatiga, qué lo causa y qué condiciones de carga o propiedades materiales amplían o reducen la probabilidad de fallo por fatiga. Cuatro distintos códigos de diseño serán expuestos y su proceso de verificación ha sido examinado, comparados y valorados cualitativa y cuantitativamente. Una torre eólica, como ejemplo, fue analizada usando los procedimientos de verificación como se indica en sus respectivos códigos de referencia. The occurrence of fatigue has been extensively researched in steel and other metallic materials it is however, not as broadly understood in concrete. This produces a lack of uniformity in the approach and process in the verification of concrete structures for the ultimate limit state of fatigue. As more research is conducted and more information is known about the parameters which cause, propagate, and indirectly affect fatigue in concrete, they are incorporated in design guides around the world. Nevertheless, this ultimate limit state verification is not addressed equally by various design governing bodies. This report presents a baseline understanding of what the phenomenon of fatigue is, what causes it, and what loading or material conditions amplify or reduce the likelihood of fatigue failure. Four different design codes are exposed and their verification process has been examined, compared and evaluated both qualitatively and quantitatively. Using a wind turbine tower structure as case study, this report presents calculated results following the verification processes as instructed in the respective reference codes.

High speed railroad bridges. Conception, bases of design, typological possibilities and construction methods

Diseño conceptual de puentes de alta velocidad ferroviarios. Railroad bridges, in general, and those for high speed railways, in particular, demand very special conditions. The traffic loads are much higher than for road bridges. Loads due to braking and acceleration determine, due to their magnitude, the structural layout. Because of the speed of the vehicles there are specific dynamic effects which need to be considered. In order to ensure passenger comfort, compatible with speeds of up to 350 km/h, it is necessary to meet very demanding conditions with respect to stiffness, displacements and dynamic behavior. In this paper these conditions are briefly described and different typological possibilities to satisfy them are presented as well as the main construction methods applicable to this kind of bridges.

Discussion of "Design Footing Area with Biaxial Bending" by Ramon Jarquio and Victor Jarquio (October, 1983)

The authors present a very interesting criterion for choosing a rectangular foundation.The writers should like to point out that the obtention of minimum area can be reduced to the problem of finding the minimum of x*+y*, subjected to the condition x*.y*=k2 whose solution is evidently x*=y*=k

Structural behaviour and design criteria of under-deck cable-stayed bridges subjected to seismic action

Under-deck cable-stayed bridges are very effective structural systems for which the strong contribution of the stay cables under live loading allows for the design of very slender decks for persistent and transient loading scenarios. Their behaviour when subjected to seismic excitation is investigated herein and a set of design criteria are presented that relate to the type and arrangement of bearings, the number and configuration of struts, and the transverse distribution of stay cables. The nonlinear behaviour of these bridges when subject to both near-field and far-field accelerograms has been thoroughly investigated through the use of incremental dynamic analyses. An intensity measure that reflects the pertinent contributions to response when several vibration modes are activated was proposed and is shown to be effective for the analysis of this structural type. The under-deck cable-stay system contributes in a very positive manner to reducing the response when the bridges are subject to very strong seismic excitation. For such scenarios, the reduction in the stiffness of the deck because of crack formation, when prestressed concrete decks are used, mobilises the cable system and enhances the overall performance of the system. Sets of natural accelerograms that are compliant with the prescriptions of Eurocode 8 were also applied to propose a set of design criteria for this bridge type in areas prone to earthquakes. Particular attention is given to outlining the optimal strategies for the deployment of bearings

Influence of nutritional and management practices on productive performance and egg quality of brown egg-laying hens = Influencia de factores nutricionales y de manejo sobre la productividad y calidad del huevo en gallinas ponedoras rubias

El objetivo general de esta Tesis Doctoral fue estudiar la influencia de diversos factores nutricionales y de manejo sobre la productividad y la calidad del huevo en gallinas ponedoras comerciales rubias. Los factores estudiados fueron: 1) Cereal principal y tipo de grasa en la dieta; 2) Nivel de proteína bruta y grasa en la dieta; 3) Nivel energético de la dieta; 4) Peso vivo al inicio del período de puesta. En el experimento 1, la influencia del cereal principal en la dieta y el tipo de grasa suplementada en la dieta sobre los parámetros productivos y la calidad del huevo fue estudiado en 756 gallinas rubias de la estirpe Lohmann desde la sem 22 hasta las 54 de vida. El experimento se realizó mediante un diseño completamente al azar con 9 tratamientos ordenados factorialmente, con 3 cereales bases (maíz, trigo blando y cebada) y 3 tipos de grasa que variaban en su contenido en ácido linoléico (aceite de soja, oleína vegetal mezcla y manteca). Todas las dietas satisfacian las recomendaciones nutricionales para gallinas ponedoras rubias según el NRC (1994) y FEDNA (2008). La unidad experimental fue la jaula para todas las variables. Cada tratamiento fue replicado 4 veces, y la unidad experimental estuvo formada por 21 gallinas alojadas en grupos de 7. Las dietas fueron formuladas con un contenido nutritivo similar, excepto para el ácido linoléico, que varió en función del tipo de cereal y grasa utilizado. Así, dependiendo de la combinación de estos elementos el contenido de este ácido graso varió desde un 0.8% (dieta trigo-manteca) a un 3.4% (dieta maíz-aceite de soja). Este rango de ácido linoléico permitió estimar el nivel mínimo de este nutriente en el pienso que permite maximizar el peso del huevo. Los parámetros productivos y la calidad del huevo se controlaron cada 28 días y el peso de las aves se midió individualmente al inicio y al final del experimento con el objetivo de estudiar la variación en el peso vivo de los animales. No se observaron interacciones entre el tipo de cereal y grasa en la dieta para ninguna de las variables productivas estudiadas. Los tratamientos experimentales no afectaron a las principales variables productivas (porcentaje de puesta, peso del huevo y masa de huevo). Sin embargo, la ganancia de peso fue mayor en gallinas alimentadas con maíz o trigo que las gallinas alimentadas con cebada (243 vs. 238 vs. 202 g, respectivamente; P< 0.05). En el mismo sentido, las gallinas alimentadas con manteca obtuvieron una mayor ganancia de peso que las gallinas alimentadas con aceite de soja u oleína vegetal (251 vs. 221 vs. 210 g, respectivamente; P< 0.05). En cuanto a las variables estudiadas en relación con la calidad del huevo, ninguna de las variables estudiadas se vio afectada por el tratamiento experimental, salvo la pigmentación de la yema. Así, las gallinas alimentadas con maíz como cereal principal obtuvieron una mayor puntuación en relación con la escala de color que las gallinas alimentadas con trigo y con cebada (9.0 vs. 8.3 vs. 8.3, respectivamente; P< 0.001). La pigmentación de la yema también se vio afectada por el tipo de grasa en la dieta, así, las gallinas alimentadas con manteca obtuvieron una mayor puntuación de color en relación con la escala de color que las gallinas alimentadas con aceite de soja u oleína vegetal (8.9 vs. 8.5 vs. 8.2, respectivamente; P< 0.001). La influencia del contenido en ácido linoléico respecto al peso de huevo y masa de huevo fue mayor a medida que el contenido de dicho ácido graso se redujo en la dieta. Así, la influencia de la dieta en los radios peso de huevo/g linoléico ingerido y masa de huevo/g linoléico ingerido fue significativamente mayor a medida que el contenido en dicho ácido graso disminuyo en la dieta (P< 0.001). Los resultados del ensayo indican que las gallinas ponedoras rubias no necesitan más de un 1.0% de ácido linoléico en la dieta para maximizar la producción y el tamaño del huevo. Además, se pudo concluir que los 3 cereales y las 3 grasas utilizadas pueden sustituirse en la dieta sin ningún perjuicio productivo o referente a la calidad del huevo siempre que los requerimientos de los animales sean cubiertos. En el experimento 2, la influencia del nivel de proteína bruta y el contenido de grasa de la dieta sobre los parámetros productivos y la calidad del huevo fue estudiado en 672 gallinas ponedoras rubias de la estirpe Lohmann entre las sem 22 y 50 de vida. El experimento fue conducido mediante un diseño completamente al azar con 8 tratamientos ordenados factorialmente con 4 dietas y 2 pesos vivos distintos al inicio de puesta (1592 vs. 1860g). Tres de esas dietas diferían en el contenido de proteína bruta (16.5%, 17.5% y 18.5%) y tenían un contenido en grasa añadida de 1.8%. La cuarta dieta tenía el nivel proteico más elevado (18.5%) pero fue suplementada con 3.6% de grasa añadida en vez de 1.8%. Cada tratamiento fue replicado 4 veces y la unidad experimental consistió en 21 gallinas alojadas dentro de grupos de 7 animales en 3 jaulas contiguas. Todas las dietas fueron isocalóricas (2750 kcal EMAn/kg) y cubrieron las recomendaciones en aminoácidos para gallinas ponedoras rubias (Arg, Ile, Lys, Met, Thr, Trp, TSAA y Val) según el NRC (1994) y FEDNA (2008). Los efectos de los tratamientos sobre las variables productivas y la calidad de huevo fueron estudiados cada 28 días. La dieta no afecto a ninguna de las variables productivas estudiadas a lo largo del período productivo. Sin embargo, el peso inicial origino que las gallinas pesadas consumieran más (120.6 vs. 113.9 g; P< 0.001), obtuvieran un porcentaje de puesta mayor (92.5 vs. 89.8%; P< 0.01) y un peso del huevo mayor (64.9 vs. 62.4 g; P< 0.001) que las gallinas ligeras. El peso inicial de las gallinas no afecto al IC por kg de huevo ni a la mortalidad, sin embargo, la ganancia de peso fue mayor (289 vs. 233 g; P< 0.01) y el IC por docena de huevos fue mejor (1.52 vs. 1.57; P< 0.01) en las gallinas ligeras que en las gallinas pesadas. En cuanto a la calidad del huevo, la dieta no influyó sobre ninguna de las variables estudiadas. Los resultados del ensayo muestran que las gallinas ponedoras rubias, independientemente de su peso vivo al inicio de la puesta, no necesitan una cantidad de proteína bruta superior a 16.5% para maximizar la producción, asegurando que las dietas cubren los requerimientos en AA indispensables. Asimismo, se puedo concluir que las gallinas con un peso más elevado al inicio de puesta producen más masa de huevo que las gallinas con un peso más bajo debido a que las primeras producen más cantidad de huevos y más pesados. Sin embargo, ambos grupos de peso obtuvieron el mismo IC por kg de huevo y las gallinas más livianas en peso obtuvieron un mejor IC por docena de huevo que las pesadas. En el experimento 3 la influencia de la concentración energética sobre los parámetros productivos y la calidad del huevo fue estudiada en 520 gallinas ponedoras rubias de la estirpe Hy-Line en el período 24-59 sem de vida. Se utilizaron 8 tratamientos ordenados factorialmente con 4 dietas que variaron en el contenido energético (2650, 2750, 2850 y 2950 kcal EMAn/kg) y 2 pesos vivos distintos al inicio del período de puesta (1733 vs. 1606g). Cada tratamiento fue replicado 5 veces y la unidad experimental consistió en una jaula con 13 aves. Todas las dietas se diseñaron para que tuvieran una concentración nutritiva similar por unidad energética. Las variables productivas y de calidad de huevo se estudiaron mediante controles cada 28 días desde el inicio del experimento. No se observaron interacciones entre el nivel energético y el peso inicial del ave para ninguna de las variables estudiadas. Un incremento en la concentración energética de la dieta incrementó la producción de huevos (88.8 % vs. 91.2 % vs. 92.7 % vs. 90.5 %), masa de huevo (56.1 g/d vs. 58.1 g/d vs. 58.8 g/d vs. 58.1 g/d), y eficiencia energética (5.42 vs. 5.39 vs. 5.38 vs. 5.58 kcal EMA/g huevo) de forma lineal y cuadrática (P< 0.05) y afectó significativamente a la ganancia de peso (255 g vs. 300 g vs. 325 g vs. 359 g; P<0.05) . Sin embargo, un incremento en la concentración energética provocó un descenso lineal en el consumo de los animales (115 g vs. 114 g vs. 111 g vs. 110 g; P< 0.001) y un descenso lineal y cuadrático en el IC por kg de huevo (2.05 vs. 1.96 vs. 1.89 vs. 1.89; P< 0.01). En cuanto a la calidad del huevo, un incremento en el contenido energético de la dieta provocó una reducción en la calidad del albumen de forma lineal en forma de reducción de Unidades Haugh (88.4 vs. 87.8 vs. 86.3 vs. 84.7; P< 0.001), asimismo el incremento de energía redujo de forma lineal la proporción relativa de cáscara en el huevo (9.7 vs. 9.6 vs. 9.6 vs. 9.5; P< 0.001). Sin embargo, el incremento energético propició un incremento lineal en la pigmentación de la yema del huevo (7.4 vs. 7.4 vs. 7.6 vs. 7.9; P< 0.001). El peso vivo al inicio de la prueba afecto a las variables productivas y a la calidad del huevo. Así, los huevos procedentes de gallinas pesadas al inicio de puesta tuvieron una mayor proporción de yema (25.7 % vs. 25.3 %; P< 0.001) y menor de albumen (64.7 vs. 65.0; P< 0.01) y cáscara (9.5 vs. 9.6; P< 0.05) respecto de los huevos procedentes de gallinas ligeras. Consecuentemente, el ratio yema:albumen fue mayor (0.40 vs. 0.39; P< 0.001) para las gallinas pesadas. Según los resultados del experimento se pudo concluir que las actuales gallinas ponedoras rubias responden con incrementos en la producción y en la masa del huevo a incrementos en la concentración energética hasta un límite que se sitúa en 2850 kcal EMAn/kg. Asimismo, los resultados obtenidos entre los 2 grupos de peso al inicio de puesta demostraron que las gallinas pesadas al inicio de puesta tienen un mayor consumo y producen huevos más pesados, con el consecuente aumento de la masa del huevo respecto de gallinas más ligeras. Sin embargo, el IC por kg de huevo fue el mismo en ambos grupos de gallinas y el IC por docena de huevo fue mejor en las gallinas ligeras. Asimismo, la eficiencia energética fue mejor en las gallinas ligeras. Abstract The general aim of this PhD Thesis was to study the influence of different nutritional factors and management on the productivity and egg quality of comercial Brown laying hens. The factor studied were: 1) The effect of the main cereal and type of fat of the diet; 2) The effect of crude protein and fat content of the diet; 3) The effect of energy concentration of the diet; 4) The effect of initial body weight of the hens at the onset of lay period. In experiment 1, the influence of the main cereal and type of supplemental fat in the diet on productive performance and egg quality of the eggs was studied in 756 Lohmann brown-egg laying hens from 22 to 54 wk of age. The experiment was conducted as a completely randomized design with 9 treatments arranged factorially with 3 cereals (dented corn, soft wheat, and barley) and 3 types of fat (soy oil, acidulated vegetable soapstocks, and lard). Each treatment was replicated 4 times (21 hens per replicate). All diets were formulated according to NRC (1994) and FEDNA (2008) to have similar nutrient content except for linoleic acid that ranged from 0.8 (wheat-lard diet) to 3.4% (corn-soy bean oil) depending on the combination of cereal and fat source used. This approach will allow to estimate the minimum level of linoleic acid in the diets that maximizes egg weight. Productive performance and egg quality traits were recorded every 28 d and BW of the hens was measured individually at the beginning and at the end of the experiment. No significant interactions between main factors were detected for any of the variables studied. Egg production, egg weight, and egg mass were not affected by dietary treatment. Body weight gain was higher (243 vs. 238 vs. 202 g; P<0.05) for hens fed corn or wheat than for hens fed barley and also for hens fed lard than for hens fed soy oil or acidulated vegetable soapstocks (251 vs. 221 vs. 210 g; P< 0.05). Egg quality was not influenced by dietary treatment except for yolk color that was greater (9.0 vs. 8.3 vs. 8.3; P< 0.001) for hens fed corn than for hens fed wheat or barley and for hens fed lard than for hens fed soy oil or acidulated vegetable soapstocks (8.9 vs. 8.5 vs. 8.2, respectivamente; P< 0.001). The influence of linoleic acid on egg weight and egg mass was higher when the fatty acid was reduced in the diet. Thus, the influence of the diet in egg weight/g linoleic acid intake and egg mass/g linolec acid intake was higher when the amount of this fatty acid decreased in the diet (P< 0.001). It is concluded that brown egg laying hens do not need more than 1.0% of linoleic acid in the diet (1.16 g/hen/d) to maximize egg production and egg size. The 3 cereals and the 3 fat sources tested can replace each other in the diet provided that the linoleic acid requirements to maximize egg size are met. In experiment 2, the influence of CP and fat content of the diet on performance and egg quality traits was studied in 672 Lohmann brown egg-laying hens from 22 to 50 wk of age. The experiment was conducted as a completely randomized design with 8 treatments arranged factorially with 4 diets and 2 initial BW of the hens (1,592 vs. 1,860 g). Three of these diets differed in the CP content (16.5, 17.5, and 18.5%) and included 1.8% added fat. The fourth diet had also 18.5% CP but was supplemented with 3.6% fat instead of 1.8% fat. Each treatment was replicated 4 times and the experimental unit consisted of 21 hens allocated in groups of 7 in 3 adjacent cages. All diets were isocaloric (2,750 kcal AME/kg) and met the recommendations of brown egg-laying hens for digestible Arg, Ile, Lys, Met, Thr, Trp, TSAA, and Val. Productive performance and egg quality were recorded by replicate every 28-d. For the entire experimental period, diet did not affect any of the productive performance traits studied but the heavier hens had higher ADFI (120.6 vs. 113.9g; P< 0.001), egg production (92.5 vs. 89.8%; P< 0.01), and egg weight (64.9 vs. 62.4g; P< 0.001) than the lighter hens. Initial BW did not affect feed conversion per kilogram of eggs or hen mortality but BW gain was higher (289 vs. 233g; P< 0.01) and FCR per dozen of eggs was better (1.52 vs. 1.57; P< 0.01) for the lighter than for the heavier hens. None of the egg quality variables studied was affected by dietary treatment or initial BW of the hens. It is concluded that brown egg-laying hens, irrespective of their initial BW, do not need more than 16.5% CP to maximize egg production provided that the diet meet the requirements for key indispensable amino acids. Heavier hens produce more eggs that are larger than lighter hens but feed efficiency per kilogram of eggs is not affected. In experiment 3, the influence of AMEn concentration of the diet on productive performance and egg quality traits was studied in 520 Hy-Line brown egg-laying hens differing in initial BW from 24 to 59 wks of age. There were 8 treatments arranged factorially with 4 diets varying in energy content (2,650, 2,750, 2,850, and 2,950 kcal AMEn/kg) and 2 initial BW of the hens (1,733 vs. 1,606 g). Each treatment was replicated 5 times (13 hens per replicate) and all diets had similar nutrient content per unit of energy. No interactions between energy content of the diet and initial BW of the hens were detected for any trait. An increase in energy concentration of the diet increased (linear, P< 0.05; quadratic P< 0.05) egg production (88.8 % vs. 91.2 % vs. 92.7 % vs. 90.5 %), egg mass (56.1 g/d vs. 58.1 g/d vs. 58.8 g/d vs. 58.1 g/d), energy efficiency (5.42 vs. 5.39 vs. 5.38 vs. 5.58 kcal AMEn/g of egg), and BW gain (255 g vs. 300 g vs. 325 g vs. 359 g; P<0.05) but decreased ADFI (115 g vs. 114 g vs. 111 g vs. 110 g; P< linear, P< 0.001) and FCR per kg of eggs (2.05 vs. 1.96 vs. 1.89 vs. 1.89; linear, P< 0.01; quadratic P< 0.01). An increase in energy content of the diet reduced Haugh units (88.4 vs. 87.8 vs. 86.3 vs. 84.7; P< 0.01) and the proportion of shell in the egg (9.7 vs. 9.6 vs. 9.6 vs. 9.5; P< 0.001). Feed intake (114.6 vs. 111.1 g/hen per day), AMEn intake (321 vs. 311 kcal/hen per day), egg weight (64.2 vs. 63.0 g), and egg mass (58.5 vs. 57.0 g) were higher for the heavier than for the lighter hens (P<0.01) but FCR per kg of eggs and energy efficiency were not affected. Eggs from the heavier hens had higher proportion of yolk (25.7 % vs. 25.3 %; P< 0.001) and lower of albumen (64.7 vs. 65.0; P< 0.01) and shell (9.5 vs. 9.6; P< 0.05) than eggs from the lighter hens. Consequently, the yolk to albumen ratio was higher (0.40 vs. 0.39; P< 0.001) for the heavier hens. It is concluded that brown egg-laying hens respond with increases in egg production and egg mass, to increases in AMEn concentration of the diet up to 2,850 kcal/kg. Heavy hens had higher feed intake and produced heavier eggs and more egg mass than light hens. However, energy efficiency was better for the lighter hens.

Contribution to the design of waveguide-fed compound-slot arrays by means of equivalent circuit modelling

Los arrays de ranuras son sistemas de antennas conocidos desde los años 40, principalmente destinados a formar parte de sistemas rádar de navíos de combate y grandes estaciones terrenas donde el tamaño y el peso no eran altamente restrictivos. Con el paso de los años y debido sobre todo a importantes avances en materiales y métodos de fabricación, el rango de aplicaciones de este tipo de sistemas radiantes creció en gran medida. Desde nuevas tecnologías biomédicas, sistemas anticolisión en automóviles y navegación en aviones, enlaces de comunicaciones de alta tasa binaria y corta distancia e incluso sistemas embarcados en satélites para la transmisión de señal de televisión. Dentro de esta familia de antennas, existen dos grupos que destacan por ser los más utilizados: las antennas de placas paralelas con las ranuras distribuidas de forma circular o espiral y las agrupaciones de arrays lineales construidos sobre guia de onda. Continuando con las tareas de investigación desarrolladas durante los últimos años en el Instituto de Tecnología de Tokyo y en el Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid, la totalidad de esta tesis se centra en este último grupo, aunque como se verá se separa en gran medida de las técnicas de diseño y metodologías convencionales. Los arrays de ranuras rectas y paralelas al eje de la guía rectangular que las alimenta son, sin ninguna duda, los modelos más empleados debido a la fiabilidad que presentan a altas frecuencias, su capacidad para gestionar grandes cantidades de potencia y la sencillez de su diseño y fabricación. Sin embargo, también presentan desventajas como estrecho ancho de banda en pérdidas de retorno y rápida degradación del diagrama de radiación con la frecuencia. Éstas son debidas a la naturaleza resonante de sus elementos radiantes: al perder la resonancia, el sistema global se desajusta y sus prestaciones degeneran. En arrays bidimensionales de slots rectos, el campo eléctrico queda polarizado sobre el plano transversal a las ranuras, correspondiéndose con el plano de altos lóbulos secundarios. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de un método sistemático de diseño de arrays de ranuras inclinadas y desplazadas del centro (en lo sucesivo “ranuras compuestas”), definido en 1971 como uno de los desafíos a superar dentro del mundo del diseño de antennas. La técnica empleada se basa en el Método de los Momentos, la Teoría de Circuitos y la Teoría de Conexión Aleatoria de Matrices de Dispersión. Al tratarse de un método circuital, la primera parte de la tesis se corresponde con el estudio de la aplicabilidad de las redes equivalentes fundamentales, su capacidad para recrear fenómenos físicos de la ranura, las limitaciones y ventajas que presentan para caracterizar las diferentes configuraciones de slot compuesto. Se profundiza en las diferencias entre las redes en T y en ! y se condiciona la selección de una u otra dependiendo del tipo de elemento radiante. Una vez seleccionado el tipo de red a emplear en el diseño del sistema, se ha desarrollado un algoritmo de cascadeo progresivo desde el puerto alimentador hacia el cortocircuito que termina el modelo. Este algoritmo es independiente del número de elementos, la frecuencia central de funcionamiento, del ángulo de inclinación de las ranuras y de la red equivalente seleccionada (en T o en !). Se basa en definir el diseño del array como un Problema de Satisfacción de Condiciones (en inglés, Constraint Satisfaction Problem) que se resuelve por un método de Búsqueda en Retroceso (Backtracking algorithm). Como resultado devuelve un circuito equivalente del array completo adaptado a su entrada y cuyos elementos consumen una potencia acorde a una distribución de amplitud dada para el array. En toda agrupación de antennas, el acoplo mutuo entre elementos a través del campo radiado representa uno de los principales problemas para el ingeniero y sus efectos perjudican a las prestaciones globales del sistema, tanto en adaptación como en capacidad de radiación. El empleo de circuito equivalente se descartó por la dificultad que suponía la caracterización de estos efectos y su inclusión en la etapa de diseño. En esta tesis doctoral el acoplo también se ha modelado como una red equivalente cuyos elementos son transformadores ideales y admitancias, conectada al conjunto de redes equivalentes que representa el array. Al comparar los resultados estimados en términos de pérdidas de retorno y radiación con aquellos obtenidos a partir de programas comerciales populares como CST Microwave Studio se confirma la validez del método aquí propuesto, el primer método de diseño sistemático de arrays de ranuras compuestos alimentados por guía de onda rectangular. Al tratarse de ranuras no resonantes, el ancho de banda en pérdidas de retorno es mucho mas amplio que el que presentan arrays de slots rectos. Para arrays bidimensionales, el ángulo de inclinación puede ajustarse de manera que el campo quede polarizado en los planos de bajos lóbulos secundarios. Además de simulaciones se han diseñado, construido y medido dos prototipos centrados en la frecuencia de 12GHz, de seis y diez elementos. Las medidas de pérdidas de retorno y diagrama de radiación revelan excelentes resultados, certificando la bondad del método genuino Method of Moments - Forward Matching Procedure desarrollado a lo largo de esta tésis. Abstract The slot antenna arrays are well known systems from the decade of 40s, mainly intended to be part of radar systems of large warships and terrestrial stations where size and weight were not highly restrictive. Over the years, mainly due to significant advances in materials and manufacturing methods, the range of applications of this type of radiating systems grew significantly. From new biomedical technologies, collision avoidance systems in cars and aircraft navigation, short communication links with high bit transfer rate and even embedded systems in satellites for television broadcast. Within this family of antennas, two groups stand out as being the most frequent in the literature: parallel plate antennas with slots placed in a circular or spiral distribution and clusters of waveguide linear arrays. To continue the vast research work carried out during the last decades in the Tokyo Institute of Technology and in the Radiation Group at the Universidad Politécnica de Madrid, this thesis focuses on the latter group, although it represents a technique that drastically breaks with traditional design methodologies. The arrays of slots straight and parallel to the axis of the feeding rectangular waveguide are without a doubt the most used models because of the reliability that they present at high frequencies, its ability to handle large amounts of power and their simplicity of design and manufacturing. However, there also exist disadvantages as narrow bandwidth in return loss and rapid degradation of the radiation pattern with frequency. These are due to the resonant nature of radiating elements: away from the resonance status, the overall system performance and radiation pattern diminish. For two-dimensional arrays of straight slots, the electric field is polarized transverse to the radiators, corresponding to the plane of high side-lobe level. This thesis aims to develop a systematic method of designing arrays of angled and displaced slots (hereinafter "compound slots"), defined in 1971 as one of the challenges to overcome in the world of antenna design. The used technique is based on the Method of Moments, Circuit Theory and the Theory of Scattering Matrices Connection. Being a circuitry-based method, the first part of this dissertation corresponds to the study of the applicability of the basic equivalent networks, their ability to recreate the slot physical phenomena, their limitations and advantages presented to characterize different compound slot configurations. It delves into the differences of T and ! and determines the selection of the most suitable one depending on the type of radiating element. Once the type of network to be used in the system design is selected, a progressive algorithm called Forward Matching Procedure has been developed to connect the proper equivalent networks from the feeder port to shorted ending. This algorithm is independent of the number of elements, the central operating frequency, the angle of inclination of the slots and selected equivalent network (T or ! networks). It is based on the definition of the array design as a Constraint Satisfaction Problem, solved by means of a Backtracking Algorithm. As a result, the method returns an equivalent circuit of the whole array which is matched at its input port and whose elements consume a power according to a given amplitude distribution for the array. In any group of antennas, the mutual coupling between elements through the radiated field represents one of the biggest problems that the engineer faces and its effects are detrimental to the overall performance of the system, both in radiation capabilities and return loss. The employment of an equivalent circuit for the array design was discarded by some authors because of the difficulty involved in the characterization of the coupling effects and their inclusion in the design stage. In this thesis the coupling has also been modeled as an equivalent network whose elements are ideal transformers and admittances connected to the set of equivalent networks that represent the antennas of the array. By comparing the estimated results in terms of return loss and radiation with those obtained from popular commercial software as CST Microwave Studio, the validity of the proposed method is fully confirmed, representing the first method of systematic design of compound-slot arrays fed by rectangular waveguide. Since these slots do not work under the resonant status, the bandwidth in return loss is much wider than the longitudinal-slot arrays. For the case of two-dimensional arrays, the angle of inclination can be adjusted so that the field is polarized at the low side-lobe level plane. Besides the performed full-wave simulations two prototypes of six and ten elements for the X-band have been designed, built and measured, revealing excellent results and agreement with the expected results. These facts certify that the genuine technique Method of Moments - Matching Forward Procedure developed along this thesis is valid and trustable.

Implicaciones de la accesibilidad configuracional en la movilidad peatonal. El caso de Madrid = The implications of configurational accessibility in pedestrian mobility. The case of Madrid

- Resumen La hipótesis que anima esta tesis doctoral es que algunas de las características del entorno urbano, en particular las que describen la accesibilidad de su red de espacio público, podrían estar relacionadas con la proporción de viajes a pie o reparto modal, que tiene cada zona o barrio de Madrid. Uno de los puntos de partida de dicha hipótesis que el entorno urbano tiene una mayor influencia sobre los viaje a pie que en sobre otros modos de transporte, por ejemplo que en los viajes de bicicleta o en transporte público; y es que parece razonable suponer que estos últimos van a estar más condicionadas por ejemplo por la disponibilidad de vías ciclistas, en el primer caso, o por la existencia de un servicio fiable y de calidad, en el segundo. Otra de las motivaciones del trabajo es que la investigación en este campo de la accesibilidad del espacio público, en concreto la denominada “Space Syntax”, ha probado en repetidas ocasiones la influencia de la red de espacio público en cómo se distribuye la intensidad del tráfico peatonal por la trama urbana, pero no se han encontrado referencias de la influencia de dicho elemento sobre el reparto modal. De acuerdo con la hipótesis y con otros trabajos anteriores se propone una metodología basada en el análisis empírico y cuantitativo. Su objetivo es comprobar si la red de espacio público, independientemente de otras variables como los usos del suelo, incluso de las variables de ajenas entorno no construido, como las socioeconómicas, está o no relacionada estadísticamente con la proporción de peatones viajes en las zonas urbanas. Las técnicas estadísticas se utilizan para comprobar sistemáticamente la asociación de las variables del entorno urbano, denominadas variables independientes, con el porcentaje de viajes a pie, la variable dependiente. En términos generales, la metodología es similar a la usada en otros trabajos en este campo como los de CERVERÓ y KOCKLEMAN (1997), CERVERÓ y DUNCAN (2003), o para los que se utilizan principalmente en la revisión general de TRB (2005) o, más recientemente, en ZEGRAS (2006) o CHATMAN (2009). Otras opciones metodológicas, como los métodos de preferencias declaradas (ver LOUVIERE, HENSHER y SWAIT, 2000) o el análisis basado en agentes (PENN & TURNER, 2004) fueron descartados, debido a una serie de razones, demasiado extensas para ser descritas aquí. El caso de estudio utilizado es la zona metropolitana de Madrid, abarcándola hasta la M-50, es decir en su mayor parte, con un tamaño aproximado de 31x34 Km y una población de 4.132.820 habitantes (aproximadamente el 80% de la población de la región). Las principales fuentes de datos son la Encuesta Domiciliaria de Movilidad de 2004 (EDM04), del Consorcio Regional de Transportes de Madrid que es la última disponible (muestra: > 35.000 familias,> 95.000 personas), y un modelo espacial del área metropolitana, integrando el modelo para calcular los índices de Space Syntax y un Sistema de Información Geográfica (SIG). La unidad de análisis, en este caso las unidades espaciales, son las zonas de transporte (con una población media de 7.063 personas) y los barrios (con una población media de 26.466 personas). Las variables del entorno urbano son claramente el centro del estudio. Un total de 20 índices (de 21) se seleccionan de entre los más relevantes encontrados en la revisión de la producción científica en este campo siendo que, al mismo tiempo, fueran accesibles. Nueve de ellos se utilizan para describir las características de los usos del suelo, mientras que otros once se usan para describir la red de espacios públicos. Estos últimos incluyen las variables de accesibilidad configuracional, que son, como se desprende de su título, el centro del estudio propuesto. La accesibilidad configuracional es un tipo especial de accesibilidad que se basa en la configuración de la trama urbana, según esta fue definida por HILLIER (1996), el autor de referencia dentro de esta línea de investigación de Space Syntax. Además se incluyen otras variables de la red de espacio público más habituales en los estudios de movilidad, y que aquí se denominan características geométricas de los elementos de la red, tales como su longitud, tipo de intersección, conectividad, etc. Por último se incluye además una variable socioeconómica, es decir ajena al entorno urbano, para evaluar la influencia de los factores externos, pues son varios los que pueden tener un impacto en la decisión de caminar (edad, género, nivel de estudios, ingresos, tasa de motorización, etc.). La asociación entre las variables se han establecido usando análisis de correlación (bivariante) y modelos de análisis multivariante. Las primeras se calculan entre por pares entre cada una de las 21 variables independientes y la dependiente, el porcentaje de viajes a pie. En cuanto a los segundos, se han realizado tres tipos de estudios: modelo multivariante general lineal, modelo multivariante general curvilíneo y análisis discriminante. Todos ellos son capaces de generar modelos de asociación entre diversas variables, pudiéndose de esta manera evaluar con bastante precisión en qué medida cada modelo reproduce el comportamiento de la variable dependiente, y además, el peso o influencia de cada variable en el modelo respecto a las otras. Los resultados fundamentales del estudio se expresan en dos modelos finales alternativos, que demuestran tener una significativa asociación con el porcentaje de viajes a pie (R2 = 0,6789, p <0,0001), al explicar las dos terceras partes de su variabilidad. En ellos, y en general en todo el estudio realizado, se da una influencia constante de tres índices en particular, que quedan como los principales. Dos de ellos, de acuerdo con muchos de los estudios previos, corresponden a la densidad y la mezcla de usos del suelo. Pero lo más novedoso de los resultados obtenidos es que el tercero es una medida de la accesibilidad de la red de espacio público, algo de lo que no había referencias hasta ahora. Pero, ¿cuál es la definición precisa y el peso relativo de cada uno en el modelo, es decir, en la variable independiente? El de mayor peso en la mayor parte de los análisis realizados es el índice de densidad total (n º residentes + n º puestos de trabajo + n º alumnos / Ha). Es decir, una densidad no sólo de población, sino que incluye algunas de las actividades más importantes que pueden darse una zona para generar movilidad a pie. El segundo que mayor peso adquiere, llegando a ser el primero en alguno de los análisis estadísticos efecturados, es el índice de accesibuilidad configuracional denominado integración de radio 5. Se trata de una medida de la accesibilidad de la zona, de su centralidad, a la escala de, más un menor, un distrito o comarca. En cuanto al tercero, obtiene una importancia bastante menor que los anteriores, y es que representa la mezcla de usos. En concreto es una medida del equilibrio entre los comercios especializados de venta al por menor y el número de residentes (n º de tiendas especializadas en alimentación, bebidas y tabaco / n º de habitantes). Por lo tanto, estos resultados confirman buena parte de los de estudios anteriores, especialmente los relativas a los usos del suelo, pero al mismo tiempo, apuntan a que la red de espacio público podría tener una influir mayor de la comprobada hasta ahora en la proporción de peatones sobre el resto de modos de transportes. Las razones de por qué esto puede ser así, se discuten ampliamente en las conclusiones. Finalmente se puede precisar que dicha conclusión principal se refiere a viajes de una sola etapa (no multimodales) que se dan en los barrios y zonas del área metropolitana de Madrid. Por supuesto, esta conclusión tiene en la actualidad, una validez limitada, ya que es el resultado de un solo caso — Abstract The research hypothesis for this Ph.D. Thesis is that some characteristics of the built environment, particularly those describing the accessibility of the public space network, could be associated with the proportion of pedestrians in all trips (modal split), found in the different parts of a city. The underlying idea is that walking trips are more sensitive to built environment than those by other transport modes, such as for example those by bicycle or by public transport, which could be more conditioned by, e.g. infrastructure availability or service frequency and quality. On the other hand, it has to be noted that the previously research on this field, in particular within Space Syntax’s where this study can be referred, have tested similar hypothesis using pedestrian volumes as the dependent variable, but never against modal split. According to such hypothesis, research methodology is based primarily on empirical quantitative analysis, and it is meant to be able to assess whether public space network, no matter other built environment and non-built environment variables, could have a relationship with the proportion of pedestrian trips in urban areas. Statistical techniques are used to check the association of independent variables with the percentage of walking in all trips, the dependent one. Broadly speaking this methodology is similar to that of previous studies in the field such as CERVERO&KOCKLEMAN (1997), CERVERO & DUNCAN (2003), or to those used mainly in the general review of T.R.B. (2005) or, more recently in ZEGRAS (2006) or CHATMAN (2009). Other methodological options such as stated choice methods (see LOUVIERE, HENSHER & SWAIT, 2000) or agent based analysis (PENN & TURNER, 2004), were discarded, due to a number of reasons, too long to be described here. The case study is not the entire Madrid’s metropolitan area, but almost (4.132.820 inhabitants, about 80% of region´s population). Main data sources are the Regional Mobility Home Based Survey 2004 (EDM04), which is the last available (sample: >35.000 families, > 95.000 individuals), and a spatial model of the metropolitan area, developed using Space Syntax and G.I.S. techniques. The analysis unit, in this case spatial units, are both transport zones (mean population = 7.063) and neighborhoods (mean population = 26.466). The variables of the built environment are clearly the core of the study. A total of 20 (out of 21) are selected from among those found in the literature while, at the same time, being accessible. Nine out of them are used to describe land use characteristics while another eleven describe the network of public spaces. Latter ones include configurational accessibility or Space Syntax variables. This is a particular sort of accessibility related with the concept of configuration, by HILLIER (1996), one of the main authors of Space Syntax, But it also include more customary variables used in mobility research to describe the urban design or spatial structure (here public space network), which here are called geometric characteristics of the such as its length, type of intersection, conectivity, density, etc. Finally a single socioeconomic variable was included in order to assess the influence non built environment factors that also may have an impact on walking (age, income, motorization rate, etc.). The association among variables is worked out using bi-variate correlation analysis and multivariate-analysis. Correlations are calculated among the 21 independent variables and the dependent one, the percentage of walking trips. Then, three types of multi-variate studies are run: general linear, curvilinear and discriminant multi-variate analysis. The latter are fully capable of generating complex association models among several variables, assessing quite precisely to what extent each model reproduces the behavior of the dependent variable, and also the weight or influence of each variable in the model. This study’s results show a consistent influence of three particular indexes in the two final alternative models of the multi-variate study (best, R2=0,6789, p<0,0000). Not surprisingly, two of them correspond to density and mix of land uses. But perhaps more interesting is that the third one is a measure of the accessibility of the public space network, a variable less important in the literature up to now. Additional precisions about them and their relative weight could also be of some interest. The density index is not only about population but includes most important activities in an area (nº residents + nº jobs+ nº students/Ha). The configurational index (radius 5 integration) is a measure of the accessibility of the area, i.e. centrality, at the scale of, more a less, a district. Regarding the mix of land uses index, this one is a measure of the balance between retail, in fact local basic retail, and the number of residents (nº of convenience shops / nº of residents). Referring to their weights, configurational index (radius 5 integration) gets the higher standardized coefficient of the final equation. However, in the final equations, there are a higher number of indexes coming from the density or land use mix categories than from public space network enter. Therefore, these findings seem to support part of the field’s knowledge, especially those concerning land uses, but at the same time they seem to bring in the idea that the configuration of the urban grid could have an influence in the proportion of walkers (as a part of total trips on any transport mode) that do single journey trips in the neighborhoods of Madrid, Spain. Of course this conclusion has, at present, a limited validity since it’s the result of a single case. The reasons of why this can be so, are discussed in the last part of the thesis.

Functional and environmental design of detached, low crest level breakwaters

In this article we research the design of detached breakwaters, a type of coastal defence work designed to combat erosion on beaches in a stable, sustainable fashion. Our aim is to formulate a functional and environmental (nonstructural) method of design that defines the fundamental characteristics of a detached breakwater as a function of the desired effect on the coast whilst meeting social demands and preserving or improving the quality of the littoral environment. We aim to make this method generally applicable by considering relations between variables of different natures (climatic, geomorphologic, and geometric) influencing the changes experienced on the coast after the detached breakwater has been built. We carried out the study of the relations between the different variables on the data from 19 actual, existing detached breakwaters on the Spanish Mediterranean coastline, and we followed a methodology based on the implementation of nondimensional monomials and on a search for relations of dependency between them. Finally, we discussed the results obtained and came up with a proposal for a design method that uses some of the graphic relations found between the variables studied and that achieves the main objective. For example, a case of a detached breakwater’s geometric presizing is solved as a practical demonstration of how the method is applied. La investigación que se presenta en este artículo aborda el diseño de los diques exentos, por constituir estos un tipo de obras de defensa costera con el que poder luchar de una forma estable y sostenible contra muchos de los problemas de erosión que existen en las playas. El objetivo principal de este trabajo es la formulación de un método de diseño funcional y ambiental (no estructural) que permita definir las características fundamentales de un dique exento en función del efecto que se quiera inducir en la costa, satisfaciendo las demandas sociales y preservando o mejorando la calidad del medio ambiente litoral. Además, se busca la aplicabilidad general del método mediante la consideración de relaciones entre variables de distinta naturaleza (climáticas, geomorfológicas y geométricas) que tienen influencia en los cambios que se experimentan en la costa tras la construcción del dique exento. El estudio de las relaciones entre las distintas variables se realiza sobre los datos de una base de diecinueve diques exentos reales, existentes en el litoral mediterráneo español, y sigue una metodología basada en el planteamiento de monomios adimensionales y en la búsqueda de relaciones de dependencia entre ellos. Finalmente, la discusión de los resultados obtenidos conduce a la propuesta de un método de diseño que utiliza algunas de las relaciones graficas encontradas entre las variables estudiadas y con el que se consigue el objetivo principal anteriormente expuesto. Para demostrar la aplicación práctica del método se resuelve un caso de predimensionamiento geométrico de un dique exento a modo de ejemplo.

Preliminary design of symmetric arch-gravity dams

In this paper, a set of design parameters, such as the slopes of upstream and downstream faces of the dam, radius of the upper arch, width of the dam at the top level and height of the vertical upper part of the dam, are given as function of the valley characteristics when the dam is situated, such as its geometry and its geotechnical properties. These tables have been obtained using a regression of the design parameters of an arch-gravity dam with a minimum concrete volume, placed in a large number of valleys with different characteristics and properties. Elasticites for these design parameters are also discussed.

Design of Reinforcement in Concrete Shells: a unified Approach

The problem of design/verification of reinforcement in concrete shells is reviewed. Methods of analysis are classified, and the elastic-plastic approach is described in detail in the general case of shells subjected to both bending and membrane action. The procedure is then reduced to membrane shells (applicable also to concrete walls) and to pure bending, as in the case of plates. The procedure, which is based on previous research,generally requires the use of a desk-top computer.

Code assessment and modelling for Design Basis Accident analysis of the European Sodium Fast Reactor design. Part II: Optimised core and representative transients analysis

The new reactor concepts proposed in the Generation IV International Forum require the development and validation of computational tools able to assess their safety performance. In the first part of this paper the models of the ESFR design developed by several organisations in the framework of the CP-ESFR project were presented and their reliability validated via a benchmarking exercise. This second part of the paper includes the application of those tools for the analysis of design basis accident (DBC) scenarios of the reference design. Further, this paper also introduces the main features of the core optimisation process carried out within the project with the objective to enhance the core safety performance through the reduction of the positive coolant density reactivity effect. The influence of this optimised core design on the reactor safety performance during the previously analysed transients is also discussed. The conclusion provides an overview of the work performed by the partners involved in the project towards the development and enhancement of computational tools specifically tailored to the evaluation of the safety performance of the Generation IV innovative nuclear reactor designs.