Evolución del conocimiento del hormigón estructural hasta 1973

Esta tesis analiza los criterios con que fueron proyectadas y construidas las estructuras de hormigón hasta 1973, fecha coincidente con la Instrucción EH-73, que en contenido, formato y planteamiento, consagró la utilización de los criterios modernamente utilizados hasta ahora. Es heredera, además, de las CEB 1970. Esos años marcan el cambio de planteamiento desde la Teoría Clásica hacia los Estados Límite. Los objetivos perseguidos son, sintéticamente: 1) Cubrir un vacío patente en el estudio de la evolución del conocimiento. Hay tratados sobre la historia del hormigón que cubren de manera muy completa el relato de personajes y realizaciones, pero no, al menos de manera suficiente, la evolución del conocimiento. 2) Servir de ayuda a los técnicos de hoy para entender configuraciones estructurales, geometrías, disposiciones de armado, formatos de seguridad, etc, utilizados en el pasado, lo que servirá para la redacción más fundada de dictámenes preliminares sobre estructuras existentes. 3) Ser referencia para la realización de estudios de valoración de la capacidad resistente de construcciones existentes, constituyendo la base de un documento pre-normativo orientado en esa dirección. En efecto, esta tesis pretende ser una ayuda para los ingenieros de hoy que se enfrentan a la necesidad de conservar y reparar estructuras de hormigón armado que forman parte del patrimonio heredado. La gran mayoría de las estructuras, fueron construidas hace más de 40 años, por lo que es preciso conocer los criterios que marcaron su diseño, su cálculo y su construcción. Pretende determinar cuáles eran los límites de agotamiento y por tanto de seguridad, de estructuras dimensionadas con criterios de antaño, analizadas por la metodología de cálculo actual. De este modo, se podrá determinar el resguardo existente “real” de las estructuras dimensionadas y calculadas con criterios “distintos” a los actuales. Conocer el comportamiento de las estructuras construidas con criterios de la Teoría Clásica, según los criterios actuales, permitirá al ingeniero de hoy tratar de la forma más adecuada el abanico de necesidades que se puedan presentar en una estructura existente. Este trabajo se centra en la evolución del conocimiento por lo que no se encuentran incluidos los procesos constructivos. En lo relativo a los criterios de proyecto, hasta mediados del siglo XX, éstos se veían muy influidos por los ensayos y trabajos de autor consiguientes, en los que se basaban los reglamentos de algunos países. Era el caso del reglamento prusiano de 1904, de la Orden Circular francesa de 1906, del Congreso de Lieja de 1930. A partir de la segunda mitad del siglo XX, destacan las aportaciones de ingenieros españoles como es el caso de Alfredo Páez Balaca, Eduardo Torroja y Pedro Jiménez Montoya, entre otros, que permitieron el avance de los criterios de cálculo y de seguridad de las estructuras de hormigón, hasta los que se conocen hoy. El criterio rector del proyecto de las estructuras de hormigón se fundó, como es sabido, en los postulados de la Teoría Clásica, en particular en el “momento crítico”, aquel para el que hormigón y acero alcanzan sus tensiones admisibles y, por tanto, asegura el máximo aprovechamiento de los materiales y sin pretenderlo conscientemente, la máxima ductilidad. Si el momento solicitante es mayor que el crítico, se dispone de armadura en compresión. Tras el estudio de muchas de las estructuras existentes de la época por el autor de esta tesis, incluyendo entre ellas las Colecciones Oficiales de Puentes de Juan Manuel de Zafra, Eugenio Ribera y Carlos Fernández Casado, se concluye que la definición geométrica de las mismas no se corresponde exactamente con la resultante del momento crítico, dado que como ahora resultaba necesario armonizar los criterios de armado a nivel sección con la organización de la ferralla a lo largo de los diferentes elementos estructurales. Los parámetros de cálculo, resistencias de los materiales y formatos de seguridad, fueron evolucionando con los años. Se fueron conociendo mejor las prestaciones de los materiales, se fue enriqueciendo la experiencia de los propios procesos constructivos y, en menor medida, de las acciones solicitantes y, consiguientemente, acotándose las incertidumbres asociadas lo cual permitió ir ajustando los coeficientes de seguridad a emplear en el cálculo. Por ejemplo, para el hormigón se empleaba un coeficiente de seguridad igual a 4 a finales del siglo XIX, que evolucionó a 3,57 tras la publicación de la Orden Circular francesa de 1906, y a 3, tras la Instrucción española de 1939. En el caso del acero, al ser un material bastante más conocido por cuanto se había utilizado muchísimo previamente, el coeficiente de seguridad permaneció casi constante a lo largo de los años, con un valor igual a 2. Otra de las causas de la evolución de los parámetros de cálculo fue el mejor conocimiento del comportamiento de las estructuras merced a la vasta tarea de planificación y ejecución de ensayos, con los estudios teóricos consiguientes, realizados por numerosos autores, principalmente austríacos y alemanes, pero también norteamericanos y franceses. En cuanto a los criterios de cálculo, puede sorprender al técnico de hoy el conocimiento que tenían del comportamiento del hormigón desde los primeros años del empleo del mismo. Sabían del comportamiento no lineal del hormigón, pero limitaban su trabajo a un rango de tensióndeformación lineal porque eso aseguraba una previsión del comportamiento estructural conforme a las hipótesis de la Elasticidad Lineal y de la Resistencia de Materiales, muy bien conocidas a principios del s. XX (no así sucedía con la teoría de la Plasticidad, aún sin formular, aunque estaba implícita en los planteamientos algunos ingenieros especializados en estructuras de fábrica (piedra o ladrillo) y metálicas. Además, eso permitía independizar un tanto el proyecto de los valores de las resistencias reales de los materiales, lo que liberaba de la necesidad de llevar a cabo ensayos que, en la práctica, apenas se podían hacer debido a la escasez de los laboratorios. Tampoco disponían de programas informáticos ni de ninguna de las facilidades de las que hoy se tienen, que les permitiera hacer trabajar al hormigón en un rango no lineal. Así, sabia y prudentemente, limitaban las tensiones y deformaciones del material a un rango conocido. El modus operandi seguido para la elaboración de esta tesis, ha sido el siguiente: -Estudio documental: se han estudiado documentos de autor, recomendaciones y normativa generada en este ámbito, tanto en España como con carácter internacional, de manera sistemática con arreglo al índice del documento. En este proceso, se han detectado lagunas del conocimiento (y su afección a la seguridad estructural, en su caso) y se han identificado las diferencias con los procedimientos de hoy. También ha sido necesario adaptar la notación y terminología de la época a los criterios actuales, lo que ha supuesto una dificultad añadida. -Desarrollo del documento: A partir del estudio previo se han ido desarrollando los siguientes documentos, que conforman el contenido de la tesis: o Personajes e instituciones relevantes por sus aportaciones al conocimiento de las estructuras de hormigón (investigación, normativa, docencia). o Caracterización de las propiedades mecánicas de los materiales (hormigón y armaduras), en relación a sus resistencias, diagramas tensión-deformación, módulos de deformación, diagramas momento-curvatura, etc. Se incluye aquí la caracterización clásica de los hormigones, la geometría y naturaleza de las armaduras, etc. o Formatos de seguridad: Se trata de un complejo capítulo del que se pretende extraer la información suficiente que permita a los técnicos de hoy entender los criterios utilizados entonces y compararlos con los actuales. o Estudio de secciones y piezas sometidas a tensiones normales y tangenciales: Se trata de presentar la evolución en el tratamiento de la flexión simple y compuesta, del cortante, del rasante, torsión, etc. Se tratan también en esta parte del estudio aspectos que, no siendo de preocupación directa de los técnicos de antaño (fisuración y deformaciones), tienen hoy mayor importancia frente a cambios de usos y condiciones de durabilidad. o Detalles de armado: Incluye el tratamiento de la adherencia, el anclaje, el solapo de barras, el corte de barras, las disposiciones de armado en función de la geometría de las piezas y sus solicitaciones, etc. Es un capítulo de importancia obvia para los técnicos de hoy. Se incluye un anejo con las referencias más significativas a los estudios experimentales en que se basaron las propuestas que han marcado hito en la evolución del conocimiento. Finalmente, junto a las conclusiones más importantes, se enuncian las propuestas de estudios futuros. This thesis analyzes the criteria with which structures of reinforced concrete have been designed and constructed prior to 1973. Initially, the year 1970 was chosen as starting point, coinciding with the CEB recommendations, but with the development of the thesis it was decided that 1973 was the better option, coinciding with the Spanish regulations of 1973, whose content, format and description introduced the current criteria. The studied period includes the Classic Theory. The intended goals of this thesis are: 1) To cover a clear gap in the study of evolution of knowledge about reinforced concrete. The concept and accomplishments achieved by reinforced concrete itself has been treated in a very complete way by the main researchers in this area, but not the evolution of knowledge in this subject area. 2) To help the engineers understand structural configurations, geometries, dispositions of steel, safety formats etc, that will serve as preliminary judgments by experts on existing structures. To be a reference to the existing studies about the valuation of resistant capacity of existing constructions, constituting a basic study of a pre-regulation document. This thesis intends to be a help for the current generation of engineers who need to preserve and repair reinforced concrete structures that have existed for a significant number of years. Most of these structures in question were constructed more than 40 years ago, and it is necessary to know the criteria that influenced their design, the calculation and the construction. This thesis intends to determine the safety limits of the old structures and analyze them in the context of the current regulations and their methodology. Thus, it will then be possible to determine the safety of these structures, after being measured and calculated with the current criteria. This will allow the engineers to optimize the treatment of such a structure. This work considers the evolution of the knowledge, so constructive methods are not included. Related to the design criteria, there existed until middle of the 20th century a large number of diverse European tests and regulations, such as the Prussian norm of 1904, the Circular French Order of 1906, the Congress of Liège of 1930, as well as individual engineers’ own notes and criteria which incorporated the results of their own tests. From the second half of the 20th century, the contributions of Spanish engineers as Alfredo Páez Balaca, Eduardo Torroja and Pedro Jiménez Montoya, among others, were significant and this allowed the advancement of the criteria of the calculation of safety standards of concrete structures, many of which still exist to the present day. The design and calculation of reinforced concrete structures by the Classic Theory, was based on the ‘Critical Bending Moment’, when concrete and steel achieve their admissible tensions, that allows the best employment of materials and the best ductility. If the bending moment is major than the critical bending moment, will be necessary to introduce compression steel. After the study of the designs of many existing structures of that time by the author of this thesis, including the Historical Collections of Juan Manuel de Zafra, Eugenio Ribera and Carlos Fernandez Casado, the conclusion is that the geometric definition of the structures does not correspond exactly with the critical bending moment inherent in the structures. The parameters of these calculations changed throughout the years. The principal reason that can be outlined is that the materials were improving gradually and the number of calculated uncertainties were decreasing, thus allowing the reduction of the safety coefficients to use in the calculation. For example, concrete used a coefficient of 4 towards the end of the 19th century, which evolved to 3,57 after the publication of the Circular French Order of 1906, and then to 3 after the Spanish Instruction of 1939. In the case of the steel, a much more consistent material, the safety coefficient remained almost constant throughout the years, with a value of 2. Other reasons related to the evolution of the calculation parameters were that the tests and research undertaken by an ever-increasing number of engineers then allowed a more complete knowledge of the behavior of reinforced concrete. What is surprising is the extent of knowledge that existed about the behavior of the concrete from the outset. Engineers from the early years knew that the behavior of the concrete was non-linear, but they limited the work to a linear tension-deformation range. This was due to the difficulties of work in a non-linear range, because they did not have laboratories to test concrete, or facilities such as computers with appropriate software, something unthinkable today. These were the main reasons engineers of previous generations limited the tensions and deformations of a particular material to a known range. The modus operandi followed for the development of this thesis is the following one: -Document study: engineers’ documents, recommendations and regulations generated in this area, both from Spain or overseas, have been studied in a systematic way in accordance with the index of the document. In this process, a lack of knowledge has been detected concerning structural safety, and differences to current procedures have been identified and noted. Also, it has been necessary to adapt the notation and terminology of the Classic Theory to the current criteria, which has imposed an additional difficulty. -Development of the thesis: starting from the basic study, the next chapters of this thesis have been developed and expounded upon: o People and relevant institutions for their contribution to the knowledge about reinforced concrete structures (investigation, regulation, teaching). Determination of the mechanical properties of the materials (concrete and steel), in relation to their resistances, tension-deformation diagrams, modules of deformation, moment-curvature diagrams, etc. Included are the classic characterizations of concrete, the geometry and nature of the steel, etc. Safety formats: this is a very difficult chapter from which it is intended to provide enough information that will then allow the present day engineer to understand the criteria used in the Classic Theory and then to compare them with the current theories. Study of sections and pieces subjected to normal and tangential tensions: it intends to demonstrate the evolution in the treatment of the simple and complex flexion, shear, etc. Other aspects examined include aspects that were not very important in the Classic Theory but currently are, such as deformation and fissures. o Details of reinforcement: it includes the treatment of the adherence, the anchorage, the lapel of bars, the cut of bars, the dispositions of reinforcement depending on the geometry of the pieces and the solicitations, etc. It is a chapter of obvious importance for current engineers. The document will include an annex with the most references to the most significant experimental studies on which were based the proposals that have become a milestone in the evolution of knowledge in this area. Finally, there will be included conclusions and suggestions of future studies. A deep study of the documentation and researchers of that time has been done, juxtaposing their criteria and results with those considered relevant today, and giving a comparison between the resultant safety standards according to the Classic Theory criteria and currently used criteria. This thesis fundamentally intends to be a guide for engineers who have to treat or repair a structure constructed according to the Classic Theory criteria.

Modelos de elementos finitos explícitos para explosiones en estructuras reticuladas de hormigón armado : aplicaciones al estudio del colapso de edificios

La frecuencia con la que se producen explosiones sobre edificios, ya sean accidentales o intencionadas, es reducida, pero sus efectos pueden ser catastróficos. Es deseable poder predecir de forma suficientemente precisa las consecuencias de estas acciones dinámicas sobre edificaciones civiles, entre las cuales las estructuras reticuladas de hormigón armado son una tipología habitual. En esta tesis doctoral se exploran distintas opciones prácticas para el modelado y cálculo numérico por ordenador de estructuras de hormigón armado sometidas a explosiones. Se emplean modelos numéricos de elementos finitos con integración explícita en el tiempo, que demuestran su capacidad efectiva para simular los fenómenos físicos y estructurales de dinámica rápida y altamente no lineales que suceden, pudiendo predecir los daños ocasionados tanto por la propia explosión como por el posible colapso progresivo de la estructura. El trabajo se ha llevado a cabo empleando el código comercial de elementos finitos LS-DYNA (Hallquist, 2006), desarrollando en el mismo distintos tipos de modelos de cálculo que se pueden clasificar en dos tipos principales: 1) modelos basados en elementos finitos de continuo, en los que se discretiza directamente el medio continuo mediante grados de libertad nodales de desplazamientos; 2) modelos basados en elementos finitos estructurales, mediante vigas y láminas, que incluyen hipótesis cinemáticas para elementos lineales o superficiales. Estos modelos se desarrollan y discuten a varios niveles distintos: 1) a nivel del comportamiento de los materiales, 2) a nivel de la respuesta de elementos estructurales tales como columnas, vigas o losas, y 3) a nivel de la respuesta de edificios completos o de partes significativas de los mismos. Se desarrollan modelos de elementos finitos de continuo 3D muy detallados que modelizan el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con un modelo constitutivo del hormigón CSCM (Murray et al., 2007), que tiene un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura. El acero se representa con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura. Se modeliza la geometría precisa del hormigón mediante elementos finitos de continuo 3D y cada una de las barras de armado mediante elementos finitos tipo viga, con su posición exacta dentro de la masa de hormigón. La malla del modelo se construye mediante la superposición de los elementos de continuo de hormigón y los elementos tipo viga de las armaduras segregadas, que son obligadas a seguir la deformación del sólido en cada punto mediante un algoritmo de penalización, simulando así el comportamiento del hormigón armado. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF de continuo. Con estos modelos de EF de continuo se analiza la respuesta estructural de elementos constructivos (columnas, losas y pórticos) frente a acciones explosivas. Asimismo se han comparado con resultados experimentales, de ensayos sobre vigas y losas con distintas cargas de explosivo, verificándose una coincidencia aceptable y permitiendo una calibración de los parámetros de cálculo. Sin embargo estos modelos tan detallados no son recomendables para analizar edificios completos, ya que el elevado número de elementos finitos que serían necesarios eleva su coste computacional hasta hacerlos inviables para los recursos de cálculo actuales. Adicionalmente, se desarrollan modelos de elementos finitos estructurales (vigas y láminas) que, con un coste computacional reducido, son capaces de reproducir el comportamiento global de la estructura con una precisión similar. Se modelizan igualmente el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con el modelo constitutivo del hormigón EC2 (Hallquist et al., 2013), que también presenta un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura, y se usa en elementos finitos tipo lámina. El acero se representa de nuevo con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura, usando elementos finitos tipo viga. Se modeliza una geometría equivalente del hormigón y del armado, y se tiene en cuenta la posición relativa del acero dentro de la masa de hormigón. Las mallas de ambos se unen mediante nodos comunes, produciendo una respuesta conjunta. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF estructurales. Con estos modelos de EF estructurales se simulan los mismos elementos constructivos que con los modelos de EF de continuo, y comparando sus respuestas estructurales frente a explosión se realiza la calibración de los primeros, de forma que se obtiene un comportamiento estructural similar con un coste computacional reducido. Se comprueba que estos mismos modelos, tanto los modelos de EF de continuo como los modelos de EF estructurales, son precisos también para el análisis del fenómeno de colapso progresivo en una estructura, y que se pueden utilizar para el estudio simultáneo de los daños de una explosión y el posterior colapso. Para ello se incluyen formulaciones que permiten considerar las fuerzas debidas al peso propio, sobrecargas y los contactos de unas partes de la estructura sobre otras. Se validan ambos modelos con un ensayo a escala real en el que un módulo con seis columnas y dos plantas colapsa al eliminar una de sus columnas. El coste computacional del modelo de EF de continuo para la simulación de este ensayo es mucho mayor que el del modelo de EF estructurales, lo cual hace inviable su aplicación en edificios completos, mientras que el modelo de EF estructurales presenta una respuesta global suficientemente precisa con un coste asumible. Por último se utilizan los modelos de EF estructurales para analizar explosiones sobre edificios de varias plantas, y se simulan dos escenarios con cargas explosivas para un edificio completo, con un coste computacional moderado. The frequency of explosions on buildings whether they are intended or accidental is small, but they can have catastrophic effects. Being able to predict in a accurate enough manner the consequences of these dynamic actions on civil buildings, among which frame-type reinforced concrete buildings are a frequent typology is desirable. In this doctoral thesis different practical options for the modeling and computer assisted numerical calculation of reinforced concrete structures submitted to explosions are explored. Numerical finite elements models with explicit time-based integration are employed, demonstrating their effective capacity in the simulation of the occurring fast dynamic and highly nonlinear physical and structural phenomena, allowing to predict the damage caused by the explosion itself as well as by the possible progressive collapse of the structure. The work has been carried out with the commercial finite elements code LS-DYNA (Hallquist, 2006), developing several types of calculation model classified in two main types: 1) Models based in continuum finite elements in which the continuous medium is discretized directly by means of nodal displacement degrees of freedom; 2) Models based on structural finite elements, with beams and shells, including kinematic hypothesis for linear and superficial elements. These models are developed and discussed at different levels: 1) material behaviour, 2) response of structural elements such as columns, beams and slabs, and 3) response of complete buildings or significative parts of them. Very detailed 3D continuum finite element models are developed, modeling mass concrete and reinforcement steel in a segregated manner. Concrete is represented with a constitutive concrete model CSCM (Murray et al., 2007), that has an inelastic behaviour, with different tension and compression response, hardening, cracking and compression damage and failure. The steel is represented with an elastic-plastic bilinear model with failure. The actual geometry of the concrete is modeled with 3D continuum finite elements and every and each of the reinforcing bars with beam-type finite elements, with their exact position in the concrete mass. The mesh of the model is generated by the superposition of the concrete continuum elements and the beam-type elements of the segregated reinforcement, which are made to follow the deformation of the solid in each point by means of a penalty algorithm, reproducing the behaviour of reinforced concrete. In this work these models will be called continuum FE models as a simplification. With these continuum FE models the response of construction elements (columns, slabs and frames) under explosive actions are analysed. They have also been compared with experimental results of tests on beams and slabs with various explosive charges, verifying an acceptable coincidence and allowing a calibration of the calculation parameters. These detailed models are however not advised for the analysis of complete buildings, as the high number of finite elements necessary raises its computational cost, making them unreliable for the current calculation resources. In addition to that, structural finite elements (beams and shells) models are developed, which, while having a reduced computational cost, are able to reproduce the global behaviour of the structure with a similar accuracy. Mass concrete and reinforcing steel are also modeled segregated. Concrete is represented with the concrete constitutive model EC2 (Hallquist et al., 2013), which also presents an inelastic behaviour, with a different tension and compression response, hardening, compression and cracking damage and failure, and is used in shell-type finite elements. Steel is represented once again with an elastic-plastic bilineal with failure constitutive model, using beam-type finite elements. An equivalent geometry of the concrete and the steel is modeled, considering the relative position of the steel inside the concrete mass. The meshes of both sets of elements are bound with common nodes, therefore producing a joint response. These models will be called structural FE models as a simplification. With these structural FE models the same construction elements as with the continuum FE models are simulated, and by comparing their response under explosive actions a calibration of the former is carried out, resulting in a similar response with a reduced computational cost. It is verified that both the continuum FE models and the structural FE models are also accurate for the analysis of the phenomenon of progressive collapse of a structure, and that they can be employed for the simultaneous study of an explosion damage and the resulting collapse. Both models are validated with an experimental full-scale test in which a six column, two floors module collapses after the removal of one of its columns. The computational cost of the continuum FE model for the simulation of this test is a lot higher than that of the structural FE model, making it non-viable for its application to full buildings, while the structural FE model presents a global response accurate enough with an admissible cost. Finally, structural FE models are used to analyze explosions on several story buildings, and two scenarios are simulated with explosive charges for a full building, with a moderate computational cost.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

A study of the mechanical behaviour of the human aortic artery by means of non-linear finite element models

En la presente tesis desarrollamos una estrategia para la simulación numérica del comportamiento mecánico de la aorta humana usando modelos de elementos finitos no lineales. Prestamos especial atención a tres aspectos claves relacionados con la biomecánica de los tejidos blandos. Primero, el análisis del comportamiento anisótropo característico de los tejidos blandos debido a las familias de fibras de colágeno. Segundo, el análisis del ablandamiento presentado por los vasos sanguíneos cuando estos soportan cargas fuera del rango de funcionamiento fisiológico. Y finalmente, la inclusión de las tensiones residuales en las simulaciones en concordancia con el experimento de apertura de ángulo. El análisis del daño se aborda mediante dos aproximaciones diferentes. En la primera aproximación se presenta una formulación de daño local con regularización. Esta formulación tiene dos ingredientes principales. Por una parte, usa los principios de la teoría de la fisura difusa para garantizar la objetividad de los resultados con diferentes mallas. Por otra parte, usa el modelo bidimensional de Hodge-Petruska para describir el comportamiento mesoscópico de los fibriles. Partiendo de este modelo mesoscópico, las propiedades macroscópicas de las fibras de colágeno son obtenidas a través de un proceso de homogenización. En la segunda aproximación se presenta un modelo de daño no-local enriquecido con el gradiente de la variable de daño. El modelo se construye a partir del enriquecimiento de la función de energía con un término que contiene el gradiente material de la variable de daño no-local. La inclusión de este término asegura una regularización implícita de la implementación por elementos finitos, dando lugar a resultados de las simulaciones que no dependen de la malla. La aplicabilidad de este último modelo a problemas de biomecánica se estudia por medio de una simulación de un procedimiento quirúrgico típico conocido como angioplastia de balón. In the present thesis we develop a framework for the numerical simulation of the mechanical behaviour of the human aorta using non-linear finite element models. Special attention is paid to three key aspects related to the biomechanics of soft tissues. First, the modelling of the characteristic anisotropic behaviour of the softue due to the collagen fibre families. Secondly, the modelling of damage-related softening that blood vessels exhibit when subjected to loads beyond their physiological range. And finally, the inclusion of the residual stresses in the simulations in accordance with the opening-angle experiment The modelling of damage is addressed with two major and different approaches. In the first approach a continuum local damage formulation with regularisation is presented. This formulation has two principal ingredients. On the one hand, it makes use of the principles of the smeared crack theory to avoid the mesh size dependence of the structural response in softening. On the other hand, it uses a Hodge-Petruska bidimensional model to describe the fibrils as staggered arrays of tropocollagen molecules, and from this mesoscopic model the macroscopic material properties of the collagen fibres are obtained using an homogenisation process. In the second approach a non-local gradient-enhanced damage formulation is introduced. The model is built around the enhancement of the free energy function by means of a term that contains the referential gradient of the non-local damage variable. The inclusion of this term ensures an implicit regularisation of the finite element implementation, yielding mesh-objective results of the simulations. The applicability of the later model to biomechanically-related problems is studied by means of the simulation of a typical surgical procedure, namely, the balloon angioplasty.

Some recent applications of non-linear models to the engineering practice

The Department of Structural Analysis of the University of Santander has been for a longtime involved in the solution of the country´s practical engineering problems. Some of these have required the use of non-conventional methods of analysis, in order to achieve adequate engineering answers. As an example of the increasing application of non-linear computer codes in the nowadays engineering practice, some cases will be briefly presented. In each case, only the main features of the problem involved and the solution used to solve it will be shown

Del empirismo a la invención: cálculo y proyecto en la arquitectura moderna

El objetivo de esta tesis es poner de relieve cómo el desarrollo del cálculo de estructuras ha influido en la manera de concebir la forma arquitectónica y qué relaciones se establecen entre estructura (formal) y estructura resistente. Este modo de explicar el hecho arquitectónico, desde la relación arte-estructura, no es el más generalizado. Por lo que profundizar en él podría llegar a enriquecer la manera en la que se comprende la arquitectura. Por tanto, se parte de la base de que la técnica no es sólo un instrumento, un medio del que disponer, sino que es un proceso mediante el cual la abstracción se hace tangible. Con lo que se produce una retroalimentación entre lo universal, es decir, lo abstracto, y lo concreto, o sea, lo real. Además, esta investigación se centra en la estructura resistente, en tanto que se trata del único principio sine qua non de la tríada vitruviana. Sin embargo, no se incurre en el error de pensar que la arquitectura depende únicamente de la tecnología para su desarrollo; hay muchos más condicionantes que intervienen en ella, que van desde la expresión, hasta cuestiones sociológicas. La manera en la que los proyectistas diseñan se desarrolla en paralelo a la evolución de la técnica. Ahora bien, la meta de esta investigación consiste en dilucidar hasta qué punto la voluntad de los arquitectos e ingenieros es independiente de la tecnología. Para ello, se lleva a cabo un análisis desde dos puntos de vista. El primero plantea un desarrollo histórico de la evolución de la teoría del cálculo de estructuras en el que, a través del tiempo, se analizan las repercusiones formales que se han ido derivando de él, tanto en ingeniería, como en arquitectura. Se pretende, así, llevar a cabo una lectura de la historia para entender el presente y proyectar el futuro. La segunda visión que se plantea estudia el modo en el que los historiadores de la arquitectura moderna han entendido la noción de estructura resistente. Dado que se entiende que los críticos de arquitectura inf uyen en la manera de pensar y entender dicha disciplina. Para desarrollarla se tomó como referencia a Panayotis Tournikiotis y su libro La historiografía de la arquitectura moderna. Finalmente, se elabora una lectura transversal de ambos puntos de vista, con la intención de discernir la influencia de la técnica en la génesis de la arquitectura en el siglo XX. En ella se estudian algunos de los ejemplos más importantes de la arquitectura moderna, así como se intentan esclarecer las distintas maneras de proyectar en relación a la estructura resistente. A partir de todo lo anterior se pretende responder a la siguiente pregunta: ¿la manera en que los proyectistas plantean la relación entre estructura (formal) y estructura resistente ha sido la misma a lo largo de la Historia? Podría decirse que no. Dicha relación ha evolucionado desde el empirismo a la invención, pasando por la ciencia. En cada una de esas etapas el entendimiento, no sólo del comportamiento estructural de las construcciones, sino también del Imago Mundi, ha ido variando; lo que se ha plasmado en la relación entre estructura (formal) y estructura resistente en los edificios. RECENSIONE L’obiettivo della presente tesi è mettere in evidenza come lo sviluppo del calcolo strutturale ha inf uenzato il modo di concepire la forma architettonica e, che relazioni si stabiliscono tra struttura (formale) e struttura resistente. Questo modo di spiegare la questione architettonica, partendo dalla relazione arte-struttura, non è il più comune. Quindi, approfondire la ricerca su questo aspetto potrebbe arrivare ad arricchire la maniera in cui si capisce l’architettura. Per tanto, si parte da un principio di base ovvero che la tecnica non è soltanto uno strumento, un medio di cui disporre, ma che è un processo mediante il quale l’astrazione si fa tangibile. Con cui si produce una retroalimentazione tra l’universale, cioè, l’astratto e il concreto, ossia, il reale. Inoltre, questa ricerca si centra nella struttura resistente, in quanto si tratta dell’unico principio sine qua non della triade vitruviana. Eppure, non s’incorre nell’errore di pensare che l’architettura dipenda unicamente della tecnologia per il suo sviluppo; ci sono molti altri condizionanti che intervengono in essa, che vanno dalla espressione f no a questioni sociologiche. La maniera in cui i progettisti disegnano si sviluppa in parallelo alla evoluzione della tecnica. Tuttavia, l’obbiettivo della ricerca consiste nel cercare di chiarire f no che punto la volontà progettuale e ideativa degli architetti e degli ingegneri è indipendente della tecnologia. Per questo, si realizza un’analisi da due punti di vista. Il primo ipotizza uno sviluppo storico dell’evoluzione della teoria del calcolo strutturale in cui, attraverso del tempo, si analizzano le ripercussioni formali che si sono derivate da questo, sia in ingegneria sia in architettura. Si pretende così, realizzare una lettura della storia per capire il presente e progettare il futuro. La seconda visione che s’ ipotizza, studia il modo in cui gli storici dell’architettura moderna hanno capito la nozione di struttura resistente. Poiché si capisce che i critici di architettura inf uiscono nella maniera di pensare e capire questa disciplina. Per svilupparla si prese come riferimento Panayotis Tournikiotis e il suo libro La storiograf a dell’architettura moderna. Finalmente, si elabora una lettura trasversale di ambedue punti di vista, con l’intenzione di discernere l’inf uenza della tecnica nella genesi dell’architettura nel XX secolo. In questa si studiano alcuni degli esempi più importanti dell’architettura moderna, così come si tentano chiarif care le diverse maniere di progettare in relazione alla struttura resistente. Oltretutto quello precedente, si pretende rispondere alla seguente domanda: La maniera in cui i progettisti ipotizzano la relazione tra struttura (formale) e struttura resistente è stata la stessa lungo la storia? Potrebbe dirsi di no. Essa relazione si è evoluta dall’empirismo all’invenzione, passando per la scienza. In ogni una di queste tappe si cerca di comprendere, non soltanto il comportamento strutturale delle costruzioni, ma anche l’aspetto del Imago Mundi. Ció che é cambiato è la coesistenza tra struttura (formale) e struttura resistente negli edifici. ABSTRACT T e objective of this thesis is to highlight how the development of structural analysis has influenced the way of conceiving architectural form and what relationship exists between (formal) structure and resistant structure. T is way of explaining architecture, from the relationship between art and structure, is not the most generalized, which is why increasing our understanding of it can enrich the way in which architecture is understood. Therefore, the basis is that technique is not only an instrument, a medium to have, but rather a process through which abstraction becomes tangible. Because of this, a type of feedback is produced between what is universal, in other words, abstract, and concrete, real. Additionally, this research focuses on resistant structure in that it refers to the unique principal sine qua non of the Vitruvian triad. However, it does not err by accepting the idea that architecture depends only on technology for its development; there are many conditioners which intervene which include everything from expression to sociological issues. T e way in which builders design is developed parallel to the evolution of technique. T e goal of this investigation consists of explaining to what point the will of architects and engineers is independent from technology. For this, an analysis of two points of view is helpful. T e f rst proposes a historical development of the theory of structures in which, through time, formal repercussions that have derived from it, in engineering as well as in architecture, are analyzed. In this way, a historical reading is attempted in order to understand the present and predict the future. T e second vision that is proposed studies the manner in which historians of modern architecture have understood the notion of resistant structure, given that it is understood that the critics of architecture inf uence the way of thinking about and understanding this discipline. In order to develop it, Panayotis Tournikiotis and his book La historiografía de la arquitectura moderna was used as a reference. Finally, a transversal reading of both points of view is done with the intention of discerning the influence of technique in the genesis of architecture in the 20th century. In this reading, several of the most important examples of modern architecture are studied and an attempt is made at shedding light on the different ways of designing in relation to resistant structure. Using the previous discussion, one can attempt to respond to the following question: Has the way in which designers conceive the relationship between (formal) structure and resistant structure been the same throughout history? In fact, the answer is no, this relationship has evolved from empiricism into invention, while incorporating scientific elements. At each of the stages of understanding, structural behavior of constructions as well as that of the Imago Mundi has continually changed, which has been captured in the relationship between (formal) structure and resistant structure in buildings.

Comportamiento de pilares de hormigón armado confinados con materiales compuestos sometidos a compresión centrada

En la actualidad muchas estructuras de hormigón armado necesitan ser reforzadas debido a diversas razones: errores en el proyecto o construcción, deterioro debido a efectos ambientales, cambios de uso o mayores requerimientos en los códigos. Los materiales compuestos, también conocidos como polímeros reforzados con fibras (FRP), están constituidos por fibras continuas de gran resistencia y rigidez embebidas en un material polimérico. Los FRP se utilizan cada vez más en aplicaciones estructurales debido a sus excelentes propiedades (elevadas resistencia y rigidez específicas y resistencia a la corrosión). Una de las aplicaciones más atractivas es el refuerzo de pilares mediante confinamiento para incrementar su resistencia y ductilidad. El confinamiento puede conseguirse pegando capas de FRP envolviendo el pilar en la dirección de los cercos (con las fibras orientadas en dirección perpendicular al eje del elemento). Se han realizado numerosos estudios experimentales en probetas cilíndricas pequeñas confinadas con encamisados de FRP y sometidas a compresión axial, y se han propuesto varios modelos sobre el hormigón confinado con FRP. Es sabido que el confinamiento de pilares de sección no circular es menos eficiente. En una sección circular, el FRP ejerce una presión de confinamiento uniforme sobre todo el perímetro, mientras que en una sección rectangular la acción de confinamiento se concentra en las esquinas. Esta tesis presenta los resultados de una investigación experimental sobre el comportamiento de probetas de hormigón de sección cuadrada confinadas con FRP y sometidas a compresión centrada. Se realizaron un total de 42 ensayos investigándose el comportamiento en las direcciones axial y transversal. Las variables del estudio incluyen: la resistencia del hormigón, el tipo de fibras (vidrio o carbono), la cuantía de refuerzo y el radio de curvatura de las esquinas. Los resultados de los ensayos realizados muestran que el confinamiento con FRP puede mejorar considerablemente la resistencia y ductilidad de pilares de hormigón armado de sección cuadrada con las esquinas redondeadas. La mejora conseguida es mayor en los hormigones de baja resistencia que en los de resistencia media. La deformación de rotura de la camisa de FRP es menor que la que se obtiene en ensayos de tracción normalizados del laminado, y la eficiencia del confinamiento depende en gran medida del radio de redondeo de las esquinas. Los resultados se han comparado con los obtenidos según los modelos teóricos más aceptados. Hay dos parámetros críticos en el ajuste de los modelos: el factor de eficiencia de la deformación y el efecto de confinamiento en secciones no circulares. Nowadays, many existing RC structures are in need of repair and strengthening for several reasons: design or construction errors, deterioration caused by environmental effects, change in use of the structures or revisions of code requirements. Composite materials, also known as fibre reinforced polymers (FRP), are composed of high strength and stiffness continuous fibres embedded in a polymer material. FRP materials are being increasingly used in many structural applications due to their excellent properties (high strength- and stiffness-toweight ratio, good corrosion behaviour). One of the most attractive applications of FRP is the confinement of concrete columns to enhance both strength and ductility. Concrete confinement can be achieved by bonding layers of hoop FRP around the column (fibres oriented perpendicular to the longitudinal axis). Many experimental studies have been conducted on small-scale plain concrete specimens of circular cross-sections confined with FRP and subjected to pure axial compressive loading, and several design models have been proposed to describe the behaviour of FRP-confined concrete. It is widely accepted that the confinement of non-circular columns is less efficient than the confinement of circular columns. In a circular cross section, the jacket exerts a uniform confining pressure over the entire perimeter. In the case of a rectangular cross section, the confining action is mostly concentrated at the corners. This thesis presents the results of a comprehensive experimental investigation on the behaviour of axially loaded square concrete specimens confined with FRP. A total of 42 compression tests were conducted, and the behaviour of the specimens in the axial and transverse directions were investigated. The parameters considered in this study are: concrete strength, type of fibres (glass or carbon), amount of FRP reinforcement and corner radius of the cross section. The tests results indicate that FRP confinement can enhance considerably the compressive strength and ductility of RC square columns with rounded corners. The enhancement is more pronounced for low- than for normal-strength concrete. The rupture strain of the FRP jacket is lower than the ultimate strain obtained by standard tensile testing of the FRP material, and the confinement efficiency significantly depends on the corner radius. The confined concrete behaviour was predicted according to the more accepted theoretical models and compared with experimental results. There are two key parameters which critically influence the fitting of the models: the strain efficiency factor and the effect of confinement in non-circular sections.

Behaviour of FRP confined concrete in square columns

A significant amount of research has been conducted on FRP-confined circular columns, but much less is known about rectangular/square columns in which the effectiveness of confinement is much reduced. This paper presents the results of experimental investigations on low strength square concrete columns confined with FRP. Axial compression tests were performed on ten intermediate size columns. The tests results indicate that FRP composites can significantly improve the bearing capacity and ductility of square section reinforced concrete columns with rounded corners. The strength enhancement ratio is greater the lower the concrete strength and also increases with the stiffness of the jacket. The confined concrete behaviour was predicted according to the more accepted theoretical models and compared with experimental results. There are two key parameters which critically influence the fitting of the models: the strain efficiency factor and the effect of confinement in non-circular sections.

Non-enzymatic and enzymatic hydrolysis of alkyl halides: A haloalkane dehalogenation enzyme evolved to stabilize the gas-phase transition state of an SN2 displacement reaction

The semiempirical PM3 method, calibrated against ab initio HF/6–31+G(d) theory, has been used to elucidate the reaction of 1,2-dichloroethane (DCE) with the carboxylate of Asp-124 at the active site of haloalkane dehalogenase of Xanthobacter autothropicus. Asp-124 and 13 other amino acid side chains that make up the active site cavity (Glu-56, Trp-125, Phe-128, Phe-172, Trp-175, Leu-179, Val-219, Phe-222, Pro-223, Val-226, Leu-262, Leu-263, and His-289) were included in the calculations. The three most significant observations of the present study are that: (i) the DCE substrate and Asp-124 carboxylate, in the reactive ES complex, are present as an ion-molecule complex with a structure similar to that seen in the gas-phase reaction of AcO− with DCE; (ii) the structures of the transition states in the gas-phase and enzymatic reaction are much the same where the structure formed at the active site is somewhat exploded; and (iii) the enthalpies in going from ground states to transition states in the enzymatic and gas-phase reactions differ by only a couple kcal/mol. The dehalogenase derives its catalytic power from: (i) bringing the electrophile and nucleophile together in a low-dielectric environment in an orientation that allows the reaction to occur without much structural reorganization; (ii) desolvation; and (iii) stabilizing the leaving chloride anion by Trp-125 and Trp-175 through hydrogen bonding.

Chrysanthemum chlorotic mottle viroid: Unusual structural properties of a subgroup of self-cleaving viroids with hammerhead ribozymes

The causal agent of chrysanthemum chlorotic mottle (CChM) disease has been identified, cloned, and sequenced. It is a viroid RNA (CChMVd) of 398–399 nucleotides. In vitro transcripts with the complete CChMVd sequence were infectious and induced the typical symptoms of the CChM disease. CChMVd can form hammerhead structures in both polarity strands. Plus and minus monomeric CChMVd RNAs self-cleaved during in vitro transcription and after purification as predicted by these structures, which are stable and most probably act as single hammerhead structures as in peach latent mosaic viroid (PLMVd), but not in avocado sunblotch viroid (ASBVd). Moreover, the plus CChMVd hammerhead structure also appears to be active in vivo, because the 5′ terminus of the linear plus CChMVd RNA isolated from infected tissue is that predicted by the corresponding hammerhead ribozyme. Both hammerhead structures of CChMVd display some peculiarities: the plus self-cleaving domain has an unpaired A after the conserved A9 residue, and the minus one has an unusually long helix II. The most stable secondary structure predicted for CChMVd is a branched conformation that does not fulfill the rod-like or quasi-rod-like model proposed for the in vitro structure of most viroids with the exception of PLMVd, whose proposed secondary structure of lowest free energy also is branched. The unusual conformation of CChMVd and PLMVd is supported by their insolubility in 2 M LiCl, in contrast to ASBVd and a series of representative non-self-cleaving viroids that are soluble under the same high salt conditions. These results support the classification of self-cleaving viroids into two subgroups, one formed by ASBVd and the other one by PLMVd and CChMVd.

Self-assembly of large, ordered lamellae from non-bilayer lipids and integral membrane proteins in vitro

In many biological membranes, the major lipids are “non-bilayer lipids,” which in purified form cannot be arranged in a lamellar structure. The structural and functional roles of these lipids are poorly understood. This work demonstrates that the in vitro association of the two main components of a membrane, the non-bilayer lipid monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) and the chlorophyll-a/b light-harvesting antenna protein of photosystem II (LHCII) of pea thylakoids, leads to the formation of large, ordered lamellar structures: (i) thin-section electron microscopy and circular dichroism spectroscopy reveal that the addition of MGDG induces the transformation of isolated, disordered macroaggregates of LHCII into stacked lamellar aggregates with a long-range chiral order of the complexes; (ii) small-angle x-ray scattering discloses that LHCII perturbs the structure of the pure lipid and destroys the inverted hexagonal phase; and (iii) an analysis of electron micrographs of negatively stained 2D crystals indicates that in MGDG-LHCII the complexes are found in an ordered macroarray. It is proposed that, by limiting the space available for MGDG in the macroaggregate, LHCII inhibits formation of the inverted hexagonal phase of lipids; in thylakoids, a spatial limitation is likely to be imposed by the high concentration of membrane-associated proteins.

Structural basis for heterogeneous kinetics: Reengineering the hairpin ribozyme

The RNA cleavage reaction catalyzed by the hairpin ribozyme shows biphasic kinetics, and chase experiments show that the slow phase of the reaction results from reversible substrate binding to an inactive conformational isomer. To investigate the structural basis for the heterogeneous kinetics, we have developed an enzymatic RNA modification method that selectively traps substrate bound to the inactive conformer and allows the two forms of the ribozyme-substrate complex to be separated and analyzed by using both physical and kinetic strategies. The inactive form of the complex was trapped by the addition of T4 RNA ligase to a cleavage reaction, resulting in covalent linkage of the 5′ end of the substrate to the 3′ end of the ribozyme and in selective and quantitative ablation of the slow kinetic phase of the reaction. This result indicates that the inactive form of the ribozyme-substrate complex can adopt a conformation in which helices 2 and 3 are coaxially stacked, whereas the active form does not have access to this conformation, because of a sharp bend at the helical junction that presumably is stabilized by inter-domain tertiary contacts required for catalytic activity. These results were used to improve the activity of the hairpin ribozyme by designing new interfaces between the two domains, one containing a non-nucleotidic orthobenzene linkage and the other replacing the two-way junction with a three-way junction. Each of these modified ribozymes preferentially adopts the active conformation and displays improved catalytic efficiency.

Efficient construction of long DNA duplexes with internal non-Watson–Crick motifs and modifications

We have developed a semi-synthetic approach for preparing long stretches of DNA (>100 bp) containing internal chemical modifications and/or non-Watson–Crick structural motifs which relies on splint-free, cell-free DNA ligations and recycling of side-products by non-PCR thermal cycling. A double-stranded DNA PCR fragment containing a polylinker in its middle is digested with two restriction enzymes and a small insert (∼20 bp) containing the modification or non-Watson–Crick motif of interest is introduced into the middle. Incorrect products are recycled to starting materials by digestion with appropriate restriction enzymes, while the correct product is resistant to digestion since it does not contain these restriction sites. This semi-synthetic approach offers several advantages over DNA splint-mediated ligations, including fewer steps, substantially higher yields (∼60% overall yield) and ease of use. This method has numerous potential applications, including the introduction of modifications such as fluorophores and cross-linking agents into DNA, controlling the shape of DNA on a large scale and the study of non-sequence-specific nucleic acid–protein interactions.

A rapid classification protocol for the CATH Domain Database to support structural genomics

In order to support the structural genomic initiatives, both by rapidly classifying newly determined structures and by suggesting suitable targets for structure determination, we have recently developed several new protocols for classifying structures in the CATH domain database (http://www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath). These aim to increase the speed of classification of new structures using fast algorithms for structure comparison (GRATH) and to improve the sensitivity in recognising distant structural relatives by incorporating sequence information from relatives in the genomes (DomainFinder). In order to ensure the integrity of the database given the expected increase in data, the CATH Protein Family Database (CATH-PFDB), which currently includes 25 320 structural domains and a further 160 000 sequence relatives has now been installed in a relational ORACLE database. This was essential for developing more rigorous validation procedures and for allowing efficient querying of the database, particularly for genome analysis. The associated Dictionary of Homologous Superfamilies [Bray,J.E., Todd,A.E., Pearl,F.M.G., Thornton,J.M. and Orengo,C.A. (2000) Protein Eng., 13, 153–165], which provides multiple structural alignments and functional information to assist in assigning new relatives, has also been expanded recently and now includes information for 903 homo­logous superfamilies. In order to improve coverage of known structures, preliminary classification levels are now provided for new structures at interim stages in the classification protocol. Since a large proportion of new structures can be rapidly classified using profile-based sequence analysis [e.g. PSI-BLAST: Altschul,S.F., Madden,T.L., Schaffer,A.A., Zhang,J., Zhang,Z., Miller,W. and Lipman,D.J. (1997) Nucleic Acids Res., 25, 3389–3402], this provides preliminary classification for easily recognisable homologues, which in the latest release of CATH (version 1.7) represented nearly three-quarters of the non-identical structures.

The chicken beta 2-microglobulin gene is located on a non-major histocompatibility complex microchromosome: a small, G+C-rich gene with X and Y boxes in the promoter.

beta 2-Microglobulin is an essential subunit of major histocompatibility complex (Mhc) class I molecules, which present antigenic peptides to T lymphocytes. We sequenced a number of cDNAs and two genomic clones corresponding to chicken beta 2-microglobulin. The chicken beta 2-microglobulin gene has a similar genomic organization but smaller introns and higher G+C content than mammalian beta 2-microglobulin genes. The promoter region is particularly G+C-rich and contains, in addition to interferon regulatory elements, potential S/W, X, and Y boxes that were originally described for mammalian class II but not class I alpha or beta 2-microglobulin genes. There is a single chicken beta 2-microglobulin gene that has little polymorphism in the coding region. Restriction fragment length polymorphisms from Mhc homozygous lines, Mhc congenic lines, and backcross families, as well as in situ hybridization, show that the beta 2-microglobulin gene is located on a microchromosome different from the one that contains the chicken Mhc. We propose that the structural similarities between the beta 2-microglobulin and Mhc genes in the chicken are due to their presence on microchromosomes and suggest that these features and the microchromosomes appeared by deletion of DNA in the lineage leading to the birds.