Propuesta de un modelo de sistema de información interorganizacional: aplicación en el sector de la domótica para la gestión de servicios del hogar digital

El sector de la edificación es uno de los principales sectores económicos en España y, además, es un componente básico de la actividad económica y social, debido a su importante papel como generador de empleo, proveedor de bienes e incentivador del crecimiento. Curiosamente, es uno de los sectores con menos regulación y organización y que, además, está formado mayoritariamente por empresas de pequeña y mediana dimensión (pymes) que, por su menor capacidad, a menudo, se quedan detrás de las grandes empresas en términos de adopción de soluciones innovadoras. La complejidad en la gestión de toda la información relacionada con un proyecto de edificación ha puesto de manifiesto claras ineficiencias que se traducen en un gasto innecesario bastante representativo. La información y los conocimientos aprendidos rara vez son transmitidos de una fase a otra dentro del proyecto de edificación y, mucho menos, reutilizados en otros proyectos similares. De este modo, no sólo se produce un gasto innecesario, sino que incluso podemos encontrar información contradictoria y obsoleta y, por tanto, inútil para la toma de decisiones. A lo largo de los años, esta situación ha sido motivada por la propia configuración del sector, poniendo de manifiesto la necesidad de una solución que pudiera solventar este reto de gestión interorganizacional. Así, la cooperación interorganizacional se ha convertido en un factor clave para mejorar la competitividad de las organizaciones, típicamente pymes, que componen el sector de la edificación. La información es la piedra angular de cualquier proceso de negocio. Durante la última década, una amplia gama de industrias han experimentado importantes mejoras de productividad con la aplicación eficiente de las TIC, asociadas, principalmente, a incrementos en la velocidad de proceso de información y una mayor coherencia en la generación de datos, accesibilidad e intercambio de información. La aplicación eficaz de las TIC en el sector de la edificación requiere una combinación de aspectos estratégicos y tácticos, puesto que no sólo se trata de utilizar soluciones puntuales importadas de otros sectores para su aplicación en diferentes áreas, sino que se buscaría que la información multi-agente estuviera integrada y sea coherente para los proyectos de edificación. El sector de la construcción ha experimentado un descenso significativo en los últimos años en España y en Europa como resultado de la crisis financiera que comenzó en 2007. Esta disminución está acompañada de una baja penetración de las TIC en la interorganizacionales orientadas a los procesos de negocio. El descenso del mercado ha provocado una desaceleración en el sector de la construcción, donde sólo las pymes flexibles han sido capaces de mantener el ritmo a pesar de la especialización y la innovación en los servicios adaptados a las nuevas demandas del mercado. La industria de la edificación está muy fragmentada en comparación con otras industrias manufactureras. El alto grado de esta fragmentación está íntimamente relacionado con un impacto significativo en la productividad y el rendimiento. Muchos estudios de investigación han desarrollado y propuesto una serie de modelos de procesos integrados. Por desgracia, en la actualidad todavía no se está en condiciones para la formalización de cómo debe ser la comunicación y el intercambio de información durante el proceso de construcción. El paso del proceso secuencial tradicional a los procesos de interdependencia recíproca sin lugar a duda son una gran demanda asociada a la comunicación y el flujo de información en un proyecto de edificación. Recientemente se está poniendo mucho énfasis en los servicios para el hogar como un primer paso hacia esta mejora en innovación ya que la industria de los servicios digitales interactivos tiene un alto potencial para generar innovación y la ventaja estratégica para las empresas existentes. La multiplicidad de servicios para el hogar digital (HD) y los proveedores de servicios demandan, cada vez más, la aparición de una plataforma capaz de coordinar a todos los agentes del sector con el usuario final. En consecuencia, las estructuras organizacionales tienden a descentralizarse en busca de esa coordinación y, como respuesta a esta demanda, se plantea, también en este ámbito, el concepto de cooperación interorganizacional. Por lo tanto, ambos procesos de negocio -el asociado a la construcción y el asociado a la provisión de servicios del hogar digital, también considerado como la propia gestión de ese hogar digital o edificio, inteligente o no- deben de ser vistos en su conjunto mediante una plataforma tecnológica que les dé soporte y que pueda garantizar la agregación e integración de los diversos procesos, relacionados con la construcción y gestión, que se suceden durante el ciclo de vida de un edificio. Sobre esta idea y atendiendo a la evolución permanente de los sistemas de información en un entorno de interrelación y cooperación daría lugar a una aplicación del concepto de sistema de información interorganizacional (SIIO). El SIIO proporciona a las organizaciones la capacidad para mejorar los vínculos entre los socios comerciales a lo largo de la cadena de suministro, por lo que su importancia ha sido reconocida por organizaciones de diversos sectores. Sin embargo, la adopción de un SIIO en diferentes ámbitos ha demostrado ser complicada y con una alta dependencia de las características particulares de cada sector, siendo, en este momento, una línea de investigación abierta. Para contribuir a esta línea de investigación, este trabajo pretende recoger, partiendo de una revisión de la literatura relacionada, un enfoque en un modelo de adopción de un SIIO para el objeto concreto de esta investigación. El diseño de un SIIO está basado principalmente, en la identificación de las necesidades de información de cada uno de sus agentes participantes, de ahí la importancia en concretar un modelo de SIIO en el ámbito de este trabajo. Esta tesis doctoral presenta el modelo de plataforma virtual de la asociación entre diferentes agentes del sector de la edificación, el marco de las relaciones, los flujos de información correspondientes a diferentes procesos y la metodología que subyace tras el propio modelo, todo ello, con el objeto de contribuir a un modelo unificado que dé soporte tanto a los procesos relacionados con la construcción como con la gestión de servicios en el hogar digital y permitiendo cubrir los requisitos importantes que caracterizan este tipo de proyectos: flexibilidad, escalabilidad y robustez. El SIIO se ha convertido en una fuente de innovación y una herramienta estratégica que permite a las pymes obtener ventajas competitivas. Debido a la complejidad inherente de la adopción de un SIIO, esta investigación extiende el modelo teórico de adopción de un SIIO de Kurnia y Johnston (2000) con un modelo empírico para la caracterización de un SIIO. El modelo resultante tiene como objetivo fomentar la innovación de servicios en el sector mediante la identificación de los factores que influyen en la adopción de un SIIO por las pymes en el sector de la edificación como fuente de ventaja competitiva y de colaboración. Por tanto, esta tesis doctoral, proyectada sobre una investigación empírica, proporciona un enfoque para caracterizar un modelo de SIIO que permita dar soporte a la gestión integrada de los procesos de construcción y gestión de servicios para el hogar digital. La validez del modelo de SIIO propuesto, como fuente y soporte de ventajas competitivas, está íntimamente relacionada con la necesidad de intercambio de información rápido y fiable que demandan los agentes del sector para mejorar la gestión de su interrelación y cooperación con el fin de abordar proyectos más complejos en el sector de la edificación, relacionados con la implantación del hogar digital, y contribuyendo, así a favorecer el desarrollo de la sociedad de la información en el segmento residencial. ABSTRACT The building industry is the largest industry in the world. Land purchase, building design, construction, furnishing, building equipment, operations maintenance and the disposition of real estate have an unquestionable prominence not only at economic but also at social level. In Spain, the building sector is one of the main drivers of economy and also a basic component of economic activity and its role in generating employment, supply of goods or incentive for growth is crucial in the evolution of the economy. Surprisingly, it is one of the sectors with less regulation and organization. Another consistent problem is that, in this sector, the majority of companies are small and medium (SMEs), and often behind large firms in terms of their adoption of innovative solutions. The complexity of managing all information related to this industry has lead to a waste of money and time. The information and knowledge gathered is frequently stored in multiple locations, involving the work of thousands of people, and is rarely transferred on to the next phase. This approach is inconsistent and makes that incorrect information is used for decisions. This situation needs a viable solution for interorganizational information management. So, interorganizational co-operation has become a key factor for organization competitiveness within the building sector. Information is the cornerstone of any business process. Therefore, information and communication technologies (ICT) offer a means to change the way business is conducted. During the last decade, significant productivity improvements were experienced by a wide range of industries with ICT implementation. ICT has provided great advantages in speed of operation, consistency of data generation, accessibility and exchange of information. The wasted money resulting from reentering information, errors and omissions caused through poor decisions and actions, and the delays caused while waiting for information, represent a significant percentage of the global benefits. The effective application of ICT in building construction sector requires a combination of strategic and tactical developments. The building sector has experienced a significant decline in recent years in Spain and in Europe as a result of the financial crisis that began in 2007. This drop goes hand in hand with a low penetration of ICT in inter-organizational-oriented business processes. The market decrease has caused a slowdown in the building sector, where only flexible SMEs have been able to keep the pace though specialization and innovation in services adapted to new market demands. The building industry is highly fragmented compared with other manufacturing industries. This fragmentation has a significant negative impact on productivity and performance. Many research studies have developed and proposed a number of integrated process models. Unfortunately, these studies do not suggest how communication and information exchange within the construction process can be achieved, without duplication or lost in quality. A change from the traditional sequential process to reciprocal interdependency processes would increase the demand on communication and information flow over the edification project. Focusing on home services, the digital interactive service industry has the potential to generate innovation and strategic advantage for existing business. Multiplicity of broadband home services (BHS) and suppliers suggest the need for a figure able to coordinate all the agents in sector with the final user. Consequently, organizational structures tend to be decentralized. Responding to this fact, the concept of interorganizational co-operation also is raising in the residential market. Therefore, both of these business processes, building and home service supply, must be complemented with a technological platform that supports these processes and guarantees the aggregation and integration of the several services over building lifecycle. In this context of a technological platform and the permanent evolution of information systems is where the relevance of the concept of inter-organizational information system (IOIS) emerges. IOIS improves linkages between trading partners along the supply chain. However, IOIS adoption has proved to be difficult and not fully accomplished yet. This research reviews the literature in order to focus a model of IOIS adoption. This PhD Thesis presents a model of virtual association, a framework of the relationships, an identification of the information requirements and the corresponding information flows, using the multi-agent system approach. IOIS has become a source of innovation and a strategic tool for SMEs to obtain competitive advantage. Because of the inherent complexity of IOIS adoption, this research extends Kurnia and Johnston’s (2000) theoretical model of IOIS adoption with an empirical model of IOIS characterization. The resultant model aims to foster further service innovation in the sector by identifying the factors influencing IOIS adoption by the SMEs in the building sector as a source of competitive and collaborative advantage. Therefore, this PhD Thesis characterizes an IOIS model to support integrated management of building processes and home services. IOIS validity, as source and holder of competitive advantages, is related to the need for reliable information interchanges to improve interrelationship management. The final goal is to favor tracking of more complex projects in building sector and to contribute to consolidation of the information society through the provision of broadband home services and home automation.

Caracterización de un robot para aplicaciones de mecanizado con requerimientos de tolerancias

El presente Trabajo fin Fin de Máster, versa sobre una caracterización preliminar del comportamiento de un robot de tipo industrial, configurado por 4 eslabones y 4 grados de libertad, y sometido a fuerzas de mecanizado en su extremo. El entorno de trabajo planteado es el de plantas de fabricación de piezas de aleaciones de aluminio para automoción. Este tipo de componentes parte de un primer proceso de fundición que saca la pieza en bruto. Para series medias y altas, en función de las propiedades mecánicas y plásticas requeridas y los costes de producción, la inyección a alta presión (HPDC) y la fundición a baja presión (LPC) son las dos tecnologías más usadas en esta primera fase. Para inyección a alta presión, las aleaciones de aluminio más empleadas son, en designación simbólica según norma EN 1706 (entre paréntesis su designación numérica); EN AC AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) , EN AC AlSi9Cu3(Fe)(Zn) (EN AC 46500), y EN AC AlSi12Cu1(Fe) (EN AC 47100). Para baja presión, EN AC AlSi7Mg0,3 (EN AC 42100). En los 3 primeros casos, los límites de Silicio permitidos pueden superan el 10%. En el cuarto caso, es inferior al 10% por lo que, a los efectos de ser sometidas a mecanizados, las piezas fabricadas en aleaciones con Si superior al 10%, se puede considerar que son equivalentes, diferenciándolas de la cuarta. Las tolerancias geométricas y dimensionales conseguibles directamente de fundición, recogidas en normas como ISO 8062 o DIN 1688-1, establecen límites para este proceso. Fuera de esos límites, las garantías en conseguir producciones con los objetivos de ppms aceptados en la actualidad por el mercado, obligan a ir a fases posteriores de mecanizado. Aquellas geometrías que, funcionalmente, necesitan disponer de unas tolerancias geométricas y/o dimensionales definidas acorde a ISO 1101, y no capaces por este proceso inicial de moldeado a presión, deben ser procesadas en una fase posterior en células de mecanizado. En este caso, las tolerancias alcanzables para procesos de arranque de viruta se recogen en normas como ISO 2768. Las células de mecanizado se componen, por lo general, de varios centros de control numérico interrelacionados y comunicados entre sí por robots que manipulan las piezas en proceso de uno a otro. Dichos robots, disponen en su extremo de una pinza utillada para poder coger y soltar las piezas en los útiles de mecanizado, las mesas de intercambio para cambiar la pieza de posición o en utillajes de equipos de medición y prueba, o en cintas de entrada o salida. La repetibilidad es alta, de centésimas incluso, definida según norma ISO 9283. El problema es que, estos rangos de repetibilidad sólo se garantizan si no se hacen esfuerzos o éstos son despreciables (caso de mover piezas). Aunque las inercias de mover piezas a altas velocidades hacen que la trayectoria intermedia tenga poca precisión, al inicio y al final (al coger y dejar pieza, p.e.) se hacen a velocidades relativamente bajas que hacen que el efecto de las fuerzas de inercia sean menores y que permiten garantizar la repetibilidad anteriormente indicada. No ocurre así si se quitara la garra y se intercambia con un cabezal motorizado con una herramienta como broca, mandrino, plato de cuchillas, fresas frontales o tangenciales… Las fuerzas ejercidas de mecanizado generarían unos pares en las uniones tan grandes y tan variables que el control del robot no sería capaz de responder (o no está preparado, en un principio) y generaría una desviación en la trayectoria, realizada a baja velocidad, que desencadenaría en un error de posición (ver norma ISO 5458) no asumible para la funcionalidad deseada. Se podría llegar al caso de que la tolerancia alcanzada por un pretendido proceso más exacto diera una dimensión peor que la que daría el proceso de fundición, en principio con mayor variabilidad dimensional en proceso (y por ende con mayor intervalo de tolerancia garantizable). De hecho, en los CNCs, la precisión es muy elevada, (pudiéndose despreciar en la mayoría de los casos) y no es la responsable de, por ejemplo la tolerancia de posición al taladrar un agujero. Factores como, temperatura de la sala y de la pieza, calidad constructiva de los utillajes y rigidez en el amarre, error en el giro de mesas y de colocación de pieza, si lleva agujeros previos o no, si la herramienta está bien equilibrada y el cono es el adecuado para el tipo de mecanizado… influyen más. Es interesante que, un elemento no específico tan común en una planta industrial, en el entorno anteriormente descrito, como es un robot, el cual no sería necesario añadir por disponer de él ya (y por lo tanto la inversión sería muy pequeña), puede mejorar la cadena de valor disminuyendo el costo de fabricación. Y si se pudiera conjugar que ese robot destinado a tareas de manipulación, en los muchos tiempos de espera que va a disfrutar mientras el CNC arranca viruta, pudiese coger un cabezal y apoyar ese mecanizado; sería doblemente interesante. Por lo tanto, se antoja sugestivo poder conocer su comportamiento e intentar explicar qué sería necesario para llevar esto a cabo, motivo de este trabajo. La arquitectura de robot seleccionada es de tipo SCARA. La búsqueda de un robot cómodo de modelar y de analizar cinemática y dinámicamente, sin limitaciones relevantes en la multifuncionalidad de trabajos solicitados, ha llevado a esta elección, frente a otras arquitecturas como por ejemplo los robots antropomórficos de 6 grados de libertad, muy populares a nivel industrial. Este robot dispone de 3 uniones, de las cuales 2 son de tipo par de revolución (1 grado de libertad cada una) y la tercera es de tipo corredera o par cilíndrico (2 grados de libertad). La primera unión, de tipo par de revolución, sirve para unir el suelo (considerado como eslabón número 1) con el eslabón número 2. La segunda unión, también de ese tipo, une el eslabón número 2 con el eslabón número 3. Estos 2 brazos, pueden describir un movimiento horizontal, en el plano X-Y. El tercer eslabón, está unido al eslabón número 4 por la unión de tipo corredera. El movimiento que puede describir es paralelo al eje Z. El robot es de 4 grados de libertad (4 motores). En relación a los posibles trabajos que puede realizar este tipo de robot, su versatilidad abarca tanto operaciones típicas de manipulación como operaciones de arranque de viruta. Uno de los mecanizados más usuales es el taladrado, por lo cual se elige éste para su modelización y análisis. Dentro del taladrado se elegirá para acotar las fuerzas, taladrado en macizo con broca de diámetro 9 mm. El robot se ha considerado por el momento que tenga comportamiento de sólido rígido, por ser el mayor efecto esperado el de los pares en las uniones. Para modelar el robot se utiliza el método de los sistemas multicuerpos. Dentro de este método existen diversos tipos de formulaciones (p.e. Denavit-Hartenberg). D-H genera una cantidad muy grande de ecuaciones e incógnitas. Esas incógnitas son de difícil comprensión y, para cada posición, hay que detenerse a pensar qué significado tienen. Se ha optado por la formulación de coordenadas naturales. Este sistema utiliza puntos y vectores unitarios para definir la posición de los distintos cuerpos, y permite compartir, cuando es posible y se quiere, para definir los pares cinemáticos y reducir al mismo tiempo el número de variables. Las incógnitas son intuitivas, las ecuaciones de restricción muy sencillas y se reduce considerablemente el número de ecuaciones e incógnitas. Sin embargo, las coordenadas naturales “puras” tienen 2 problemas. El primero, que 2 elementos con un ángulo de 0 o 180 grados, dan lugar a puntos singulares que pueden crear problemas en las ecuaciones de restricción y por lo tanto han de evitarse. El segundo, que tampoco inciden directamente sobre la definición o el origen de los movimientos. Por lo tanto, es muy conveniente complementar esta formulación con ángulos y distancias (coordenadas relativas). Esto da lugar a las coordenadas naturales mixtas, que es la formulación final elegida para este TFM. Las coordenadas naturales mixtas no tienen el problema de los puntos singulares. Y la ventaja más importante reside en su utilidad a la hora de aplicar fuerzas motrices, momentos o evaluar errores. Al incidir sobre la incógnita origen (ángulos o distancias) controla los motores de manera directa. El algoritmo, la simulación y la obtención de resultados se ha programado mediante Matlab. Para realizar el modelo en coordenadas naturales mixtas, es preciso modelar en 2 pasos el robot a estudio. El primer modelo se basa en coordenadas naturales. Para su validación, se plantea una trayectoria definida y se analiza cinemáticamente si el robot satisface el movimiento solicitado, manteniendo su integridad como sistema multicuerpo. Se cuantifican los puntos (en este caso inicial y final) que configuran el robot. Al tratarse de sólidos rígidos, cada eslabón queda definido por sus respectivos puntos inicial y final (que son los más interesantes para la cinemática y la dinámica) y por un vector unitario no colineal a esos 2 puntos. Los vectores unitarios se colocan en los lugares en los que se tenga un eje de rotación o cuando se desee obtener información de un ángulo. No son necesarios vectores unitarios para medir distancias. Tampoco tienen por qué coincidir los grados de libertad con el número de vectores unitarios. Las longitudes de cada eslabón quedan definidas como constantes geométricas. Se establecen las restricciones que definen la naturaleza del robot y las relaciones entre los diferentes elementos y su entorno. La trayectoria se genera por una nube de puntos continua, definidos en coordenadas independientes. Cada conjunto de coordenadas independientes define, en un instante concreto, una posición y postura de robot determinada. Para conocerla, es necesario saber qué coordenadas dependientes hay en ese instante, y se obtienen resolviendo por el método de Newton-Rhapson las ecuaciones de restricción en función de las coordenadas independientes. El motivo de hacerlo así es porque las coordenadas dependientes deben satisfacer las restricciones, cosa que no ocurre con las coordenadas independientes. Cuando la validez del modelo se ha probado (primera validación), se pasa al modelo 2. El modelo número 2, incorpora a las coordenadas naturales del modelo número 1, las coordenadas relativas en forma de ángulos en los pares de revolución (3 ángulos; ϕ1, ϕ 2 y ϕ3) y distancias en los pares prismáticos (1 distancia; s). Estas coordenadas relativas pasan a ser las nuevas coordenadas independientes (sustituyendo a las coordenadas independientes cartesianas del modelo primero, que eran coordenadas naturales). Es necesario revisar si el sistema de vectores unitarios del modelo 1 es suficiente o no. Para este caso concreto, se han necesitado añadir 1 vector unitario adicional con objeto de que los ángulos queden perfectamente determinados con las correspondientes ecuaciones de producto escalar y/o vectorial. Las restricciones habrán de ser incrementadas en, al menos, 4 ecuaciones; una por cada nueva incógnita. La validación del modelo número 2, tiene 2 fases. La primera, al igual que se hizo en el modelo número 1, a través del análisis cinemático del comportamiento con una trayectoria definida. Podrían obtenerse del modelo 2 en este análisis, velocidades y aceleraciones, pero no son necesarios. Tan sólo interesan los movimientos o desplazamientos finitos. Comprobada la coherencia de movimientos (segunda validación), se pasa a analizar cinemáticamente el comportamiento con trayectorias interpoladas. El análisis cinemático con trayectorias interpoladas, trabaja con un número mínimo de 3 puntos máster. En este caso se han elegido 3; punto inicial, punto intermedio y punto final. El número de interpolaciones con el que se actúa es de 50 interpolaciones en cada tramo (cada 2 puntos máster hay un tramo), resultando un total de 100 interpolaciones. El método de interpolación utilizado es el de splines cúbicas con condición de aceleración inicial y final constantes, que genera las coordenadas independientes de los puntos interpolados de cada tramo. Las coordenadas dependientes se obtienen resolviendo las ecuaciones de restricción no lineales con el método de Newton-Rhapson. El método de las splines cúbicas es muy continuo, por lo que si se desea modelar una trayectoria en el que haya al menos 2 movimientos claramente diferenciados, es preciso hacerlo en 2 tramos y unirlos posteriormente. Sería el caso en el que alguno de los motores se desee expresamente que esté parado durante el primer movimiento y otro distinto lo esté durante el segundo movimiento (y así sucesivamente). Obtenido el movimiento, se calculan, también mediante fórmulas de diferenciación numérica, las velocidades y aceleraciones independientes. El proceso es análogo al anteriormente explicado, recordando la condición impuesta de que la aceleración en el instante t= 0 y en instante t= final, se ha tomado como 0. Las velocidades y aceleraciones dependientes se calculan resolviendo las correspondientes derivadas de las ecuaciones de restricción. Se comprueba, de nuevo, en una tercera validación del modelo, la coherencia del movimiento interpolado. La dinámica inversa calcula, para un movimiento definido -conocidas la posición, velocidad y la aceleración en cada instante de tiempo-, y conocidas las fuerzas externas que actúan (por ejemplo el peso); qué fuerzas hay que aplicar en los motores (donde hay control) para que se obtenga el citado movimiento. En la dinámica inversa, cada instante del tiempo es independiente de los demás y tiene una posición, una velocidad y una aceleración y unas fuerzas conocidas. En este caso concreto, se desean aplicar, de momento, sólo las fuerzas debidas al peso, aunque se podrían haber incorporado fuerzas de otra naturaleza si se hubiese deseado. Las posiciones, velocidades y aceleraciones, proceden del cálculo cinemático. El efecto inercial de las fuerzas tenidas en cuenta (el peso) es calculado. Como resultado final del análisis dinámico inverso, se obtienen los pares que han de ejercer los cuatro motores para replicar el movimiento prescrito con las fuerzas que estaban actuando. La cuarta validación del modelo consiste en confirmar que el movimiento obtenido por aplicar los pares obtenidos en la dinámica inversa, coinciden con el obtenido en el análisis cinemático (movimiento teórico). Para ello, es necesario acudir a la dinámica directa. La dinámica directa se encarga de calcular el movimiento del robot, resultante de aplicar unos pares en motores y unas fuerzas en el robot. Por lo tanto, el movimiento real resultante, al no haber cambiado ninguna condición de las obtenidas en la dinámica inversa (pares de motor y fuerzas inerciales debidas al peso de los eslabones) ha de ser el mismo al movimiento teórico. Siendo así, se considera que el robot está listo para trabajar. Si se introduce una fuerza exterior de mecanizado no contemplada en la dinámica inversa y se asigna en los motores los mismos pares resultantes de la resolución del problema dinámico inverso, el movimiento real obtenido no es igual al movimiento teórico. El control de lazo cerrado se basa en ir comparando el movimiento real con el deseado e introducir las correcciones necesarias para minimizar o anular las diferencias. Se aplican ganancias en forma de correcciones en posición y/o velocidad para eliminar esas diferencias. Se evalúa el error de posición como la diferencia, en cada punto, entre el movimiento teórico deseado en el análisis cinemático y el movimiento real obtenido para cada fuerza de mecanizado y una ganancia concreta. Finalmente, se mapea el error de posición obtenido para cada fuerza de mecanizado y las diferentes ganancias previstas, graficando la mejor precisión que puede dar el robot para cada operación que se le requiere, y en qué condiciones. -------------- This Master´s Thesis deals with a preliminary characterization of the behaviour for an industrial robot, configured with 4 elements and 4 degrees of freedoms, and subjected to machining forces at its end. Proposed working conditions are those typical from manufacturing plants with aluminium alloys for automotive industry. This type of components comes from a first casting process that produces rough parts. For medium and high volumes, high pressure die casting (HPDC) and low pressure die casting (LPC) are the most used technologies in this first phase. For high pressure die casting processes, most used aluminium alloys are, in simbolic designation according EN 1706 standard (between brackets, its numerical designation); EN AC AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) , EN AC AlSi9Cu3(Fe)(Zn) (EN AC 46500), y EN AC AlSi12Cu1(Fe) (EN AC 47100). For low pressure, EN AC AlSi7Mg0,3 (EN AC 42100). For the 3 first alloys, Si allowed limits can exceed 10% content. Fourth alloy has admisible limits under 10% Si. That means, from the point of view of machining, that components made of alloys with Si content above 10% can be considered as equivalent, and the fourth one must be studied separately. Geometrical and dimensional tolerances directly achievables from casting, gathered in standards such as ISO 8062 or DIN 1688-1, establish a limit for this process. Out from those limits, guarantees to achieve batches with objetive ppms currently accepted by market, force to go to subsequent machining process. Those geometries that functionally require a geometrical and/or dimensional tolerance defined according ISO 1101, not capable with initial moulding process, must be obtained afterwards in a machining phase with machining cells. In this case, tolerances achievables with cutting processes are gathered in standards such as ISO 2768. In general terms, machining cells contain several CNCs that they are interrelated and connected by robots that handle parts in process among them. Those robots have at their end a gripper in order to take/remove parts in machining fixtures, in interchange tables to modify position of part, in measurement and control tooling devices, or in entrance/exit conveyors. Repeatibility for robot is tight, even few hundredths of mm, defined according ISO 9283. Problem is like this; those repeatibilty ranks are only guaranteed when there are no stresses or they are not significant (f.e. due to only movement of parts). Although inertias due to moving parts at a high speed make that intermediate paths have little accuracy, at the beginning and at the end of trajectories (f.e, when picking part or leaving it) movement is made with very slow speeds that make lower the effect of inertias forces and allow to achieve repeatibility before mentioned. It does not happens the same if gripper is removed and it is exchanged by an spindle with a machining tool such as a drilling tool, a pcd boring tool, a face or a tangential milling cutter… Forces due to machining would create such big and variable torques in joints that control from the robot would not be able to react (or it is not prepared in principle) and would produce a deviation in working trajectory, made at a low speed, that would trigger a position error (see ISO 5458 standard) not assumable for requested function. Then it could be possible that tolerance achieved by a more exact expected process would turn out into a worst dimension than the one that could be achieved with casting process, in principle with a larger dimensional variability in process (and hence with a larger tolerance range reachable). As a matter of fact, accuracy is very tight in CNC, (its influence can be ignored in most cases) and it is not the responsible of, for example position tolerance when drilling a hole. Factors as, room and part temperature, manufacturing quality of machining fixtures, stiffness at clamping system, rotating error in 4th axis and part positioning error, if there are previous holes, if machining tool is properly balanced, if shank is suitable for that machining type… have more influence. It is interesting to know that, a non specific element as common, at a manufacturing plant in the enviroment above described, as a robot (not needed to be added, therefore with an additional minimum investment), can improve value chain decreasing manufacturing costs. And when it would be possible to combine that the robot dedicated to handling works could support CNCs´ works in its many waiting time while CNCs cut, and could take an spindle and help to cut; it would be double interesting. So according to all this, it would be interesting to be able to know its behaviour and try to explain what would be necessary to make this possible, reason of this work. Selected robot architecture is SCARA type. The search for a robot easy to be modeled and kinematically and dinamically analyzed, without significant limits in the multifunctionality of requested operations, has lead to this choice. Due to that, other very popular architectures in the industry, f.e. 6 DOFs anthropomorphic robots, have been discarded. This robot has 3 joints, 2 of them are revolute joints (1 DOF each one) and the third one is a cylindrical joint (2 DOFs). The first joint, a revolute one, is used to join floor (body 1) with body 2. The second one, a revolute joint too, joins body 2 with body 3. These 2 bodies can move horizontally in X-Y plane. Body 3 is linked to body 4 with a cylindrical joint. Movement that can be made is paralell to Z axis. The robt has 4 degrees of freedom (4 motors). Regarding potential works that this type of robot can make, its versatility covers either typical handling operations or cutting operations. One of the most common machinings is to drill. That is the reason why it has been chosen for the model and analysis. Within drilling, in order to enclose spectrum force, a typical solid drilling with 9 mm diameter. The robot is considered, at the moment, to have a behaviour as rigid body, as biggest expected influence is the one due to torques at joints. In order to modelize robot, it is used multibodies system method. There are under this heading different sorts of formulations (f.e. Denavit-Hartenberg). D-H creates a great amount of equations and unknown quantities. Those unknown quatities are of a difficult understanding and, for each position, one must stop to think about which meaning they have. The choice made is therefore one of formulation in natural coordinates. This system uses points and unit vectors to define position of each different elements, and allow to share, when it is possible and wished, to define kinematic torques and reduce number of variables at the same time. Unknown quantities are intuitive, constrain equations are easy and number of equations and variables are strongly reduced. However, “pure” natural coordinates suffer 2 problems. The first one is that 2 elements with an angle of 0° or 180°, give rise to singular positions that can create problems in constrain equations and therefore they must be avoided. The second problem is that they do not work directly over the definition or the origin of movements. Given that, it is highly recommended to complement this formulation with angles and distances (relative coordinates). This leads to mixed natural coordinates, and they are the final formulation chosen for this MTh. Mixed natural coordinates have not the problem of singular positions. And the most important advantage lies in their usefulness when applying driving forces, torques or evaluating errors. As they influence directly over origin variable (angles or distances), they control motors directly. The algorithm, simulation and obtaining of results has been programmed with Matlab. To design the model in mixed natural coordinates, it is necessary to model the robot to be studied in 2 steps. The first model is based in natural coordinates. To validate it, it is raised a defined trajectory and it is kinematically analyzed if robot fulfils requested movement, keeping its integrity as multibody system. The points (in this case starting and ending points) that configure the robot are quantified. As the elements are considered as rigid bodies, each of them is defined by its respectively starting and ending point (those points are the most interesting ones from the point of view of kinematics and dynamics) and by a non-colinear unit vector to those points. Unit vectors are placed where there is a rotating axis or when it is needed information of an angle. Unit vectors are not needed to measure distances. Neither DOFs must coincide with the number of unit vectors. Lengths of each arm are defined as geometrical constants. The constrains that define the nature of the robot and relationships among different elements and its enviroment are set. Path is generated by a cloud of continuous points, defined in independent coordinates. Each group of independent coordinates define, in an specific instant, a defined position and posture for the robot. In order to know it, it is needed to know which dependent coordinates there are in that instant, and they are obtained solving the constraint equations with Newton-Rhapson method according to independent coordinates. The reason to make it like this is because dependent coordinates must meet constraints, and this is not the case with independent coordinates. When suitability of model is checked (first approval), it is given next step to model 2. Model 2 adds to natural coordinates from model 1, the relative coordinates in the shape of angles in revoluting torques (3 angles; ϕ1, ϕ 2 and ϕ3) and distances in prismatic torques (1 distance; s). These relative coordinates become the new independent coordinates (replacing to cartesian independent coordinates from model 1, that they were natural coordinates). It is needed to review if unit vector system from model 1 is enough or not . For this specific case, it was necessary to add 1 additional unit vector to define perfectly angles with their related equations of dot and/or cross product. Constrains must be increased in, at least, 4 equations; one per each new variable. The approval of model 2 has two phases. The first one, same as made with model 1, through kinematic analysis of behaviour with a defined path. During this analysis, it could be obtained from model 2, velocities and accelerations, but they are not needed. They are only interesting movements and finite displacements. Once that the consistence of movements has been checked (second approval), it comes when the behaviour with interpolated trajectories must be kinematically analyzed. Kinematic analysis with interpolated trajectories work with a minimum number of 3 master points. In this case, 3 points have been chosen; starting point, middle point and ending point. The number of interpolations has been of 50 ones in each strecht (each 2 master points there is an strecht), turning into a total of 100 interpolations. The interpolation method used is the cubic splines one with condition of constant acceleration both at the starting and at the ending point. This method creates the independent coordinates of interpolated points of each strecht. The dependent coordinates are achieved solving the non-linear constrain equations with Newton-Rhapson method. The method of cubic splines is very continuous, therefore when it is needed to design a trajectory in which there are at least 2 movements clearly differents, it is required to make it in 2 steps and join them later. That would be the case when any of the motors would keep stopped during the first movement, and another different motor would remain stopped during the second movement (and so on). Once that movement is obtained, they are calculated, also with numerical differenciation formulas, the independent velocities and accelerations. This process is analogous to the one before explained, reminding condition that acceleration when t=0 and t=end are 0. Dependent velocities and accelerations are calculated solving related derivatives of constrain equations. In a third approval of the model it is checked, again, consistence of interpolated movement. Inverse dynamics calculates, for a defined movement –knowing position, velocity and acceleration in each instant of time-, and knowing external forces that act (f.e. weights); which forces must be applied in motors (where there is control) in order to obtain requested movement. In inverse dynamics, each instant of time is independent of the others and it has a position, a velocity, an acceleration and known forces. In this specific case, it is intended to apply, at the moment, only forces due to the weight, though forces of another nature could have been added if it would have been preferred. The positions, velocities and accelerations, come from kinematic calculation. The inertial effect of forces taken into account (weight) is calculated. As final result of the inverse dynamic analysis, the are obtained torques that the 4 motors must apply to repeat requested movement with the forces that were acting. The fourth approval of the model consists on confirming that the achieved movement due to the use of the torques obtained in the inverse dynamics, are in accordance with movements from kinematic analysis (theoretical movement). For this, it is necessary to work with direct dynamics. Direct dynamic is in charge of calculating the movements of robot that results from applying torques at motors and forces at the robot. Therefore, the resultant real movement, as there was no change in any condition of the ones obtained at the inverse dynamics (motor torques and inertial forces due to weight of elements) must be the same than theoretical movement. When these results are achieved, it is considered that robot is ready to work. When a machining external force is introduced and it was not taken into account before during the inverse dynamics, and torques at motors considered are the ones of the inverse dynamics, the real movement obtained is not the same than the theoretical movement. Closed loop control is based on comparing real movement with expected movement and introducing required corrrections to minimize or cancel differences. They are applied gains in the way of corrections for position and/or tolerance to remove those differences. Position error is evaluated as the difference, in each point, between theoretical movemment (calculated in the kinematic analysis) and the real movement achieved for each machining force and for an specific gain. Finally, the position error obtained for each machining force and gains are mapped, giving a chart with the best accuracy that the robot can give for each operation that has been requested and which conditions must be provided.

Dynamic analysis of payloads and structures with intermediate modal density

La necesidad de desarrollar técnicas para predecir la respuesta vibroacústica de estructuras espaciales lia ido ganando importancia en los últimos años. Las técnicas numéricas existentes en la actualidad son capaces de predecir de forma fiable el comportamiento vibroacústico de sistemas con altas o bajas densidades modales. Sin embargo, ambos rangos no siempre solapan lo que hace que sea necesario el desarrollo de métodos específicos para este rango, conocido como densidad modal media. Es en este rango, conocido también como media frecuencia, donde se centra la presente Tesis doctoral, debido a la carencia de métodos específicos para el cálculo de la respuesta vibroacústica. Para las estructuras estudiadas en este trabajo, los mencionados rangos de baja y alta densidad modal se corresponden, en general, con los rangos de baja y alta frecuencia, respectivamente. Los métodos numéricos que permiten obtener la respuesta vibroacústica para estos rangos de frecuencia están bien especificados. Para el rango de baja frecuencia se emplean técnicas deterministas, como el método de los Elementos Finitos, mientras que, para el rango de alta frecuencia las técnicas estadísticas son más utilizadas, como el Análisis Estadístico de la Energía. En el rango de medias frecuencias ninguno de estos métodos numéricos puede ser usado con suficiente precisión y, como consecuencia -a falta de propuestas más específicas- se han desarrollado métodos híbridos que combinan el uso de métodos de baja y alta frecuencia, intentando que cada uno supla las deficiencias del otro en este rango medio. Este trabajo propone dos soluciones diferentes para resolver el problema de la media frecuencia. El primero de ellos, denominado SHFL (del inglés Subsystem based High Frequency Limit procedure), propone un procedimiento multihíbrido en el cuál cada subestructura del sistema completo se modela empleando una técnica numérica diferente, dependiendo del rango de frecuencias de estudio. Con este propósito se introduce el concepto de límite de alta frecuencia de una subestructura, que marca el límite a partir del cual dicha subestructura tiene una densidad modal lo suficientemente alta como para ser modelada utilizando Análisis Estadístico de la Energía. Si la frecuencia de análisis es menor que el límite de alta frecuencia de la subestructura, ésta se modela utilizando Elementos Finitos. Mediante este método, el rango de media frecuencia se puede definir de una forma precisa, estando comprendido entre el menor y el mayor de los límites de alta frecuencia de las subestructuras que componen el sistema completo. Los resultados obtenidos mediante la aplicación de este método evidencian una mejora en la continuidad de la respuesta vibroacústica, mostrando una transición suave entre los rangos de baja y alta frecuencia. El segundo método propuesto se denomina HS-CMS (del inglés Hybrid Substructuring method based on Component Mode Synthesis). Este método se basa en la clasificación de la base modal de las subestructuras en conjuntos de modos globales (que afectan a todo o a varias partes del sistema) o locales (que afectan a una única subestructura), utilizando un método de Síntesis Modal de Componentes. De este modo es posible situar espacialmente los modos del sistema completo y estudiar el comportamiento del mismo desde el punto de vista de las subestructuras. De nuevo se emplea el concepto de límite de alta frecuencia de una subestructura para realizar la clasificación global/local de los modos en la misma. Mediante dicha clasificación se derivan las ecuaciones globales del movimiento, gobernadas por los modos globales, y en las que la influencia del conjunto de modos locales se introduce mediante modificaciones en las mismas (en su matriz dinámica de rigidez y en el vector de fuerzas). Las ecuaciones locales se resuelven empleando Análisis Estadístico de Energías. Sin embargo, este último será un modelo híbrido, en el cual se introduce la potencia adicional aportada por la presencia de los modos globales. El método ha sido probado para el cálculo de la respuesta de estructuras sometidas tanto a cargas estructurales como acústicas. Ambos métodos han sido probados inicialmente en estructuras sencillas para establecer las bases e hipótesis de aplicación. Posteriormente, se han aplicado a estructuras espaciales, como satélites y reflectores de antenas, mostrando buenos resultados, como se concluye de la comparación de las simulaciones y los datos experimentales medidos en ensayos, tanto estructurales como acústicos. Este trabajo abre un amplio campo de investigación a partir del cual es posible obtener metodologías precisas y eficientes para reproducir el comportamiento vibroacústico de sistemas en el rango de la media frecuencia. ABSTRACT Over the last years an increasing need of novel prediction techniques for vibroacoustic analysis of space structures has arisen. Current numerical techniques arc able to predict with enough accuracy the vibro-acoustic behaviour of systems with low and high modal densities. However, space structures are, in general, very complex and they present a range of frequencies in which a mixed behaviour exist. In such cases, the full system is composed of some sub-structures which has low modal density, while others present high modal density. This frequency range is known as the mid-frequency range and to develop methods for accurately describe the vibro-acoustic response in this frequency range is the scope of this dissertation. For the structures under study, the aforementioned low and high modal densities correspond with the low and high frequency ranges, respectively. For the low frequency range, deterministic techniques as the Finite Element Method (FEM) are used while, for the high frequency range statistical techniques, as the Statistical Energy Analysis (SEA), arc considered as more appropriate. In the mid-frequency range, where a mixed vibro-acoustic behaviour is expected, any of these numerical method can not be used with enough confidence level. As a consequence, it is usual to obtain an undetermined gap between low and high frequencies in the vibro-acoustic response function. This dissertation proposes two different solutions to the mid-frequency range problem. The first one, named as The Subsystem based High Frequency Limit (SHFL) procedure, proposes a multi-hybrid procedure in which each sub-structure of the full system is modelled with the appropriate modelling technique, depending on the frequency of study. With this purpose, the concept of high frequency limit of a sub-structure is introduced, marking out the limit above which a substructure has enough modal density to be modelled by SEA. For a certain analysis frequency, if it is lower than the high frequency limit of the sub-structure, the sub-structure is modelled through FEM and, if the frequency of analysis is higher than the high frequency limit, the sub-structure is modelled by SEA. The procedure leads to a number of hybrid models required to cover the medium frequency range, which is defined as the frequency range between the lowest substructure high frequency limit and the highest one. Using this procedure, the mid-frequency range can be define specifically so that, as a consequence, an improvement in the continuity of the vibro-acoustic response function is achieved, closing the undetermined gap between the low and high frequency ranges. The second proposed mid-frequency solution is the Hybrid Sub-structuring method based on Component Mode Synthesis (HS-CMS). The method adopts a partition scheme based on classifying the system modal basis into global and local sets of modes. This classification is performed by using a Component Mode Synthesis, in particular a Craig-Bampton transformation, in order to express the system modal base into the modal bases associated with each sub-structure. Then, each sub-structure modal base is classified into global and local set, fist ones associated with the long wavelength motion and second ones with the short wavelength motion. The high frequency limit of each sub-structure is used as frequency frontier between both sets of modes. From this classification, the equations of motion associated with global modes are derived, which include the interaction of local modes by means of corrections in the dynamic stiffness matrix and the force vector of the global problem. The local equations of motion are solved through SEA, where again interactions with global modes arc included through the inclusion of an additional input power into the SEA model. The method has been tested for the calculation of the response function of structures subjected to structural and acoustic loads. Both methods have been firstly tested in simple structures to establish their basis and main characteristics. Methods are also verified in space structures, as satellites and antenna reflectors, providing good results as it is concluded from the comparison with experimental results obtained in both, acoustic and structural load tests. This dissertation opens a wide field of research through which further studies could be performed to obtain efficient and accurate methodologies to appropriately reproduce the vibro-acoustic behaviour of complex systems in the mid-frequency range.

Reducing the impact of EV charging on the electric grid

One of the main objectives of European Commission related to climate and energy is the well-known 20-20-20 targets to be achieved in 2020: Europe has to reduce greenhouse gas emissions of at least 20% below 1990 levels, 20% of EU energy consumption has to come from renewable resources and, finally, a 20% reduction in primary energy use compared with projected levels, has to be achieved by improving energy efficiency. In order to reach these objectives, it is necessary to reduce the overall emissions, mainly in transport (reducing CO2, NOx and other pollutants), and to increase the penetration of the intermittent renewable energy. A high deployment of battery electric (BEVs) and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), with a low-cost source of energy storage, could help to achieve both targets. Hybrid electric vehicles (HEVs) use a combination of a conventional internal combustion engine (ICE) with one (or more) electric motor. There are different grades of hybridation from micro-hybrids with start-stop capability, mild hybrids (with kinetic energy recovery), medium hybrids (mild hybrids plus energy assist) and full hybrids (medium hybrids plus electric launch capability). These last types of vehicles use a typical battery capacity around 1-2 kWh. Plug in hybrid electric vehicles (PHEVs) use larger battery capacities to achieve limited electric-only driving range. These vehicles are charged by on-board electricity generation or either plugging into electric outlets. Typical battery capacity is around 10 kWh. Battery Electric Vehicles (BEVs) are only driven by electric power and their typical battery capacity is around 15-20 kWh. One type of PHEV, the Extended Range Electric Vehicle (EREV), operates as a BEV until its plug-in battery capacity is depleted; at which point its gasoline engine powers an electric generator to extend the vehicle's range. The charging of PHEVs (including EREVs) and BEVs will have different impacts to the electric grid, depending on the number of vehicles and the start time for charging. Initially, the lecture will start analyzing the electrical power requirements for charging PHEVs-BEVs in Flanders region (Belgium) under different charging scenarios. Secondly and based on an activity-based microsimulation mobility model, an efficient method to reduce this impact will be presented.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

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

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

Methodologies for Collision Risk Computation = Metodologías para Cálculo de Riesgo de Colisión

Esta tesis aborda metodologías para el cálculo de riesgo de colisión de satélites. La minimización del riesgo de colisión se debe abordar desde dos puntos de vista distintos. Desde el punto de vista operacional, es necesario filtrar los objetos que pueden presentar un encuentro entre todos los objetos que comparten el espacio con un satélite operacional. Puesto que las órbitas, del objeto operacional y del objeto envuelto en la colisión, no se conocen perfectamente, la geometría del encuentro y el riesgo de colisión deben ser evaluados. De acuerdo con dicha geometría o riesgo, una maniobra evasiva puede ser necesaria para evitar la colisión. Dichas maniobras implican un consumo de combustible que impacta en la capacidad de mantenimiento orbital y por tanto de la visa útil del satélite. Por tanto, el combustible necesario a lo largo de la vida útil de un satélite debe ser estimado en fase de diseño de la misión para una correcta definición de su vida útil, especialmente para satélites orbitando en regímenes orbitales muy poblados. Los dos aspectos, diseño de misión y aspectos operacionales en relación con el riesgo de colisión están abordados en esta tesis y se resumen en la Figura 3. En relación con los aspectos relacionados con el diseño de misión (parte inferior de la figura), es necesario evaluar estadísticamente las características de de la población espacial y las teorías que permiten calcular el número medio de eventos encontrados por una misión y su capacidad de reducir riesgo de colisión. Estos dos aspectos definen los procedimientos más apropiados para reducir el riesgo de colisión en fase operacional. Este aspecto es abordado, comenzando por la teoría descrita en [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 e implementada por el autor de esta tesis en la herramienta ARES [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 proporcionada por ESA para la evaluación de estrategias de evitación de colisión. Esta teoría es extendida en esta tesis para considerar las características de los datos orbitales disponibles en las fases operacionales de un satélite (sección 4.3.3). Además, esta teoría se ha extendido para considerar riesgo máximo de colisión cuando la incertidumbre de las órbitas de objetos catalogados no es conocida (como se da el caso para los TLE), y en el caso de querer sólo considerar riesgo de colisión catastrófico (sección 4.3.2.3). Dichas mejoras se han incluido en la nueva versión de ARES [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 puesta a disposición a través de [SDUP,2014]R.60. En fase operacional, los catálogos que proporcionan datos orbitales de los objetos espaciales, son procesados rutinariamente, para identificar posibles encuentros que se analizan en base a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión para proponer maniobras de evasión. Actualmente existe una única fuente de datos públicos, el catálogo TLE (de sus siglas en inglés, Two Line Elements). Además, el Joint Space Operation Center (JSpOC) Americano proporciona mensajes con alertas de colisión (CSM) cuando el sistema de vigilancia americano identifica un posible encuentro. En función de los datos usados en fase operacional (TLE o CSM), la estrategia de evitación puede ser diferente debido a las características de dicha información. Es preciso conocer las principales características de los datos disponibles (respecto a la precisión de los datos orbitales) para estimar los posibles eventos de colisión encontrados por un satélite a lo largo de su vida útil. En caso de los TLE, cuya precisión orbital no es proporcionada, la información de precisión orbital derivada de un análisis estadístico se puede usar también en el proceso operacional así como en el diseño de la misión. En caso de utilizar CSM como base de las operaciones de evitación de colisiones, se conoce la precisión orbital de los dos objetos involucrados. Estas características se han analizado en detalle, evaluando estadísticamente las características de ambos tipos de datos. Una vez concluido dicho análisis, se ha analizado el impacto de utilizar TLE o CSM en las operaciones del satélite (sección 5.1). Este análisis se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. En dicho análisis, se proporcionan recomendaciones para distintas misiones (tamaño del satélite y régimen orbital) en relación con las estrategias de evitación de colisión para reducir el riesgo de colisión de manera significativa. Por ejemplo, en el caso de un satélite en órbita heliosíncrona en régimen orbital LEO, el valor típico del ACPL que se usa de manera extendida es 10-4. Este valor no es adecuado cuando los esquemas de evitación de colisión se realizan sobre datos TLE. En este caso, la capacidad de reducción de riesgo es prácticamente nula (debido a las grandes incertidumbres de los datos TLE) incluso para tiempos cortos de predicción. Para conseguir una reducción significativa del riesgo, sería necesario usar un ACPL en torno a 10-6 o inferior, produciendo unas 10 alarmas al año por satélite (considerando predicciones a un día) o 100 alarmas al año (con predicciones a tres días). Por tanto, la principal conclusión es la falta de idoneidad de los datos TLE para el cálculo de eventos de colisión. Al contrario, usando los datos CSM, debido a su mejor precisión orbital, se puede obtener una reducción significativa del riesgo con ACPL en torno a 10-4 (considerando 3 días de predicción). Incluso 5 días de predicción pueden ser considerados con ACPL en torno a 10-5. Incluso tiempos de predicción más largos se pueden usar (7 días) con reducción del 90% del riesgo y unas 5 alarmas al año (en caso de predicciones de 5 días, el número de maniobras se mantiene en unas 2 al año). La dinámica en GEO es diferente al caso LEO y hace que el crecimiento de las incertidumbres orbitales con el tiempo de propagación sea menor. Por el contrario, las incertidumbres derivadas de la determinación orbital son peores que en LEO por las diferencias en las capacidades de observación de uno y otro régimen orbital. Además, se debe considerar que los tiempos de predicción considerados para LEO pueden no ser apropiados para el caso de un satélite GEO (puesto que tiene un periodo orbital mayor). En este caso usando datos TLE, una reducción significativa del riesgo sólo se consigue con valores pequeños de ACPL, produciendo una alarma por año cuando los eventos de colisión se predicen a un día vista (tiempo muy corto para implementar maniobras de evitación de colisión).Valores más adecuados de ACPL se encuentran entre 5•10-8 y 10-7, muy por debajo de los valores usados en las operaciones actuales de la mayoría de las misiones GEO (de nuevo, no se recomienda en este régimen orbital basar las estrategias de evitación de colisión en TLE). Los datos CSM permiten una reducción de riesgo apropiada con ACPL entre 10-5 y 10-4 con tiempos de predicción cortos y medios (10-5 se recomienda para predicciones a 5 o 7 días). El número de maniobras realizadas sería una en 10 años de misión. Se debe notar que estos cálculos están realizados para un satélite de unos 2 metros de radio. En el futuro, otros sistemas de vigilancia espacial (como el programa SSA de la ESA), proporcionarán catálogos adicionales de objetos espaciales con el objetivo de reducir el riesgo de colisión de los satélites. Para definir dichos sistemas de vigilancia, es necesario identificar las prestaciones del catalogo en función de la reducción de riesgo que se pretende conseguir. Las características del catálogo que afectan principalmente a dicha capacidad son la cobertura (número de objetos incluidos en el catalogo, limitado principalmente por el tamaño mínimo de los objetos en función de las limitaciones de los sensores utilizados) y la precisión de los datos orbitales (derivada de las prestaciones de los sensores en relación con la precisión de las medidas y la capacidad de re-observación de los objetos). El resultado de dicho análisis (sección 5.2) se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. Este análisis no estaba inicialmente previsto durante la tesis, y permite mostrar como la teoría descrita en esta tesis, inicialmente definida para facilitar el diseño de misiones (parte superior de la figura 1) se ha extendido y se puede aplicar para otros propósitos como el dimensionado de un sistema de vigilancia espacial (parte inferior de la figura 1). La principal diferencia de los dos análisis se basa en considerar las capacidades de catalogación (precisión y tamaño de objetos observados) como una variable a modificar en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia), siendo fijas en el caso de un diseño de misión. En el caso de las salidas generadas en el análisis, todos los aspectos calculados en un análisis estadístico de riesgo de colisión son importantes para diseño de misión (con el objetivo de calcular la estrategia de evitación y la cantidad de combustible a utilizar), mientras que en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia, los aspectos más importantes son el número de maniobras y falsas alarmas (fiabilidad del sistema) y la capacidad de reducción de riesgo (efectividad del sistema). Adicionalmente, un sistema de vigilancia espacial debe ser caracterizado por su capacidad de evitar colisiones catastróficas (evitando así in incremento dramático de la población de basura espacial), mientras que el diseño de una misión debe considerar todo tipo de encuentros, puesto que un operador está interesado en evitar tanto las colisiones catastróficas como las letales. Del análisis de las prestaciones (tamaño de objetos a catalogar y precisión orbital) requeridas a un sistema de vigilancia espacial se concluye que ambos aspectos han de ser fijados de manera diferente para los distintos regímenes orbitales. En el caso de LEO se hace necesario observar objetos de hasta 5cm de radio, mientras que en GEO se rebaja este requisito hasta los 100 cm para cubrir las colisiones catastróficas. La razón principal para esta diferencia viene de las diferentes velocidades relativas entre los objetos en ambos regímenes orbitales. En relación con la precisión orbital, ésta ha de ser muy buena en LEO para poder reducir el número de falsas alarmas, mientras que en regímenes orbitales más altos se pueden considerar precisiones medias. En relación con los aspectos operaciones de la determinación de riesgo de colisión, existen varios algoritmos de cálculo de riesgo entre dos objetos espaciales. La Figura 2 proporciona un resumen de los casos en cuanto a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión y como se abordan en esta tesis. Normalmente se consideran objetos esféricos para simplificar el cálculo de riesgo (caso A). Este caso está ampliamente abordado en la literatura y no se analiza en detalle en esta tesis. Un caso de ejemplo se proporciona en la sección 4.2. Considerar la forma real de los objetos (caso B) permite calcular el riesgo de una manera más precisa. Un nuevo algoritmo es definido en esta tesis para calcular el riesgo de colisión cuando al menos uno de los objetos se considera complejo (sección 4.4.2). Dicho algoritmo permite calcular el riesgo de colisión para objetos formados por un conjunto de cajas, y se ha presentado en varias conferencias internacionales. Para evaluar las prestaciones de dicho algoritmo, sus resultados se han comparado con un análisis de Monte Carlo que se ha definido para considerar colisiones entre cajas de manera adecuada (sección 4.1.2.3), pues la búsqueda de colisiones simples aplicables para objetos esféricos no es aplicable a este caso. Este análisis de Monte Carlo se considera la verdad a la hora de calcular los resultados del algoritmos, dicha comparativa se presenta en la sección 4.4.4. En el caso de satélites que no se pueden considerar esféricos, el uso de un modelo de la geometría del satélite permite descartar eventos que no son colisiones reales o estimar con mayor precisión el riesgo asociado a un evento. El uso de estos algoritmos con geometrías complejas es más relevante para objetos de dimensiones grandes debido a las prestaciones de precisión orbital actuales. En el futuro, si los sistemas de vigilancia mejoran y las órbitas son conocidas con mayor precisión, la importancia de considerar la geometría real de los satélites será cada vez más relevante. La sección 5.4 presenta un ejemplo para un sistema de grandes dimensiones (satélite con un tether). Adicionalmente, si los dos objetos involucrados en la colisión tienen velocidad relativa baja (y geometría simple, Caso C en la Figura 2), la mayor parte de los algoritmos no son aplicables requiriendo implementaciones dedicadas para este caso particular. En esta tesis, uno de estos algoritmos presentado en la literatura [Patera, 2001]R.26 se ha analizado para determinar su idoneidad en distintos tipos de eventos (sección 4.5). La evaluación frete a un análisis de Monte Carlo se proporciona en la sección 4.5.2. Tras este análisis, se ha considerado adecuado para abordar las colisiones de baja velocidad. En particular, se ha concluido que el uso de algoritmos dedicados para baja velocidad son necesarios en función del tamaño del volumen de colisión proyectado en el plano de encuentro (B-plane) y del tamaño de la incertidumbre asociada al vector posición entre los dos objetos. Para incertidumbres grandes, estos algoritmos se hacen más necesarios pues la duración del intervalo en que los elipsoides de error de los dos objetos pueden intersecar es mayor. Dicho algoritmo se ha probado integrando el algoritmo de colisión para objetos con geometrías complejas. El resultado de dicho análisis muestra que este algoritmo puede ser extendido fácilmente para considerar diferentes tipos de algoritmos de cálculo de riesgo de colisión (sección 4.5.3). Ambos algoritmos, junto con el método Monte Carlo para geometrías complejas, se han implementado en la herramienta operacional de la ESA CORAM, que es utilizada para evaluar el riesgo de colisión en las actividades rutinarias de los satélites operados por ESA [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. Este hecho muestra el interés y relevancia de los algoritmos desarrollados para la mejora de las operaciones de los satélites. Dichos algoritmos han sido presentados en varias conferencias internacionales [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1. ABSTRACT This document addresses methodologies for computation of the collision risk of a satellite. Two different approaches need to be considered for collision risk minimisation. On an operational basis, it is needed to perform a sieve of possible objects approaching the satellite, among all objects sharing the space with an operational satellite. As the orbits of both, satellite and the eventual collider, are not perfectly known but only estimated, the miss-encounter geometry and the actual risk of collision shall be evaluated. In the basis of the encounter geometry or the risk, an eventual manoeuvre may be required to avoid the conjunction. Those manoeuvres will be associated to a reduction in the fuel for the mission orbit maintenance, and thus, may reduce the satellite operational lifetime. Thus, avoidance manoeuvre fuel budget shall be estimated, at mission design phase, for a better estimation of mission lifetime, especially for those satellites orbiting in very populated orbital regimes. These two aspects, mission design and operational collision risk aspects, are summarised in Figure 3, and covered along this thesis. Bottom part of the figure identifies the aspects to be consider for the mission design phase (statistical characterisation of the space object population data and theory computing the mean number of events and risk reduction capability) which will define the most appropriate collision avoidance approach at mission operational phase. This part is covered in this work by starting from the theory described in [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 and implemented by this author in ARES tool [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 provided by ESA for evaluation of collision avoidance approaches. This methodology has been now extended to account for the particular features of the available data sets in operational environment (section 4.3.3). Additionally, the formulation has been extended to allow evaluating risk computation approached when orbital uncertainty is not available (like the TLE case) and when only catastrophic collisions are subject to study (section 4.3.2.3). These improvements to the theory have been included in the new version of ESA ARES tool [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 and available through [SDUP,2014]R.60. At the operation phase, the real catalogue data will be processed on a routine basis, with adequate collision risk computation algorithms to propose conjunction avoidance manoeuvre optimised for every event. The optimisation of manoeuvres in an operational basis is not approached along this document. Currently, American Two Line Element (TLE) catalogue is the only public source of data providing orbits of objects in space to identify eventual conjunction events. Additionally, Conjunction Summary Message (CSM) is provided by Joint Space Operation Center (JSpOC) when the American system identifies a possible collision among satellites and debris. Depending on the data used for collision avoidance evaluation, the conjunction avoidance approach may be different. The main features of currently available data need to be analysed (in regards to accuracy) in order to perform estimation of eventual encounters to be found along the mission lifetime. In the case of TLE, as these data is not provided with accuracy information, operational collision avoidance may be also based on statistical accuracy information as the one used in the mission design approach. This is not the case for CSM data, which includes the state vector and orbital accuracy of the two involved objects. This aspect has been analysed in detail and is depicted in the document, evaluating in statistical way the characteristics of both data sets in regards to the main aspects related to collision avoidance. Once the analysis of data set was completed, investigations on the impact of those features in the most convenient avoidance approaches have been addressed (section 5.1). This analysis is published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. The analysis provides recommendations for different mission types (satellite size and orbital regime) in regards to the most appropriate collision avoidance approach for relevant risk reduction. The risk reduction capability is very much dependent on the accuracy of the catalogue utilized to identify eventual collisions. Approaches based on CSM data are recommended against the TLE based approach. Some approaches based on the maximum risk associated to envisaged encounters are demonstrated to report a very large number of events, which makes the approach not suitable for operational activities. Accepted Collision Probability Levels are recommended for the definition of the avoidance strategies for different mission types. For example for the case of a LEO satellite in the Sun-synchronous regime, the typically used ACPL value of 10-4 is not a suitable value for collision avoidance schemes based on TLE data. In this case the risk reduction capacity is almost null (due to the large uncertainties associated to TLE data sets, even for short time-to-event values). For significant reduction of risk when using TLE data, ACPL on the order of 10-6 (or lower) seems to be required, producing about 10 warnings per year and mission (if one-day ahead events are considered) or 100 warnings per year (for three-days ahead estimations). Thus, the main conclusion from these results is the lack of feasibility of TLE for a proper collision avoidance approach. On the contrary, for CSM data, and due to the better accuracy of the orbital information when compared with TLE, ACPL on the order of 10-4 allows to significantly reduce the risk. This is true for events estimated up to 3 days ahead. Even 5 days ahead events can be considered, but ACPL values down to 10-5 should be considered in such case. Even larger prediction times can be considered (7 days) for risk reduction about 90%, at the cost of larger number of warnings up to 5 events per year, when 5 days prediction allows to keep the manoeuvre rate in 2 manoeuvres per year. Dynamics of the GEO orbits is different to that in LEO, impacting on a lower increase of orbits uncertainty along time. On the contrary, uncertainties at short prediction times at this orbital regime are larger than those at LEO due to the differences in observation capabilities. Additionally, it has to be accounted that short prediction times feasible at LEO may not be appropriate for a GEO mission due to the orbital period being much larger at this regime. In the case of TLE data sets, significant reduction of risk is only achieved for small ACPL values, producing about a warning event per year if warnings are raised one day in advance to the event (too short for any reaction to be considered). Suitable ACPL values would lay in between 5•10-8 and 10-7, well below the normal values used in current operations for most of the GEO missions (TLE-based strategies for collision avoidance at this regime are not recommended). On the contrary, CSM data allows a good reduction of risk with ACPL in between 10-5 and 10-4 for short and medium prediction times. 10-5 is recommended for prediction times of five or seven days. The number of events raised for a suitable warning time of seven days would be about one in a 10-year mission. It must be noted, that these results are associated to a 2 m radius spacecraft, impact of the satellite size are also analysed within the thesis. In the future, other Space Situational Awareness Systems (SSA, ESA program) may provide additional catalogues of objects in space with the aim of reducing the risk. It is needed to investigate which are the required performances of those catalogues for allowing such risk reduction. The main performance aspects are coverage (objects included in the catalogue, mainly limited by a minimum object size derived from sensor performances) and the accuracy of the orbital data to accurately evaluate the conjunctions (derived from sensor performance in regards to object observation frequency and accuracy). The results of these investigations (section 5.2) are published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. This aspect was not initially foreseen as objective of the thesis, but it shows how the theory described in the thesis, initially defined for mission design in regards to avoidance manoeuvre fuel allocation (upper part of figure 1), is extended and serves for additional purposes as dimensioning a Space Surveillance and Tracking (SST) system (bottom part of figure below). The main difference between the two approaches is the consideration of the catalogue features as part of the theory which are not modified (for the satellite mission design case) instead of being an input for the analysis (in the case of the SST design). In regards to the outputs, all the features computed by the statistical conjunction analysis are of importance for mission design (with the objective of proper global avoidance strategy definition and fuel allocation), whereas for the case of SST design, the most relevant aspects are the manoeuvre and false alarm rates (defining a reliable system) and the Risk Reduction capability (driving the effectiveness of the system). In regards to the methodology for computing the risk, the SST system shall be driven by the capacity of providing the means to avoid catastrophic conjunction events (avoiding the dramatic increase of the population), whereas the satellite mission design should consider all type of encounters, as the operator is interested on avoiding both lethal and catastrophic collisions. From the analysis of the SST features (object coverage and orbital uncertainty) for a reliable system, it is concluded that those two characteristics are to be imposed differently for the different orbital regimes, as the population level is different depending on the orbit type. Coverage values range from 5 cm for very populated LEO regime up to 100 cm in the case of GEO region. The difference on this requirement derives mainly from the relative velocity of the encounters at those regimes. Regarding the orbital knowledge of the catalogues, very accurate information is required for objects in the LEO region in order to limit the number of false alarms, whereas intermediate orbital accuracy can be considered for higher orbital regimes. In regards to the operational collision avoidance approaches, several collision risk algorithms are used for evaluation of collision risk of two pair of objects. Figure 2 provides a summary of the different collision risk algorithm cases and indicates how they are covered along this document. The typical case with high relative velocity is well covered in literature for the case of spherical objects (case A), with a large number of available algorithms, that are not analysed in detailed in this work. Only a sample case is provided in section 4.2. If complex geometries are considered (Case B), a more realistic risk evaluation can be computed. New approach for the evaluation of risk in the case of complex geometries is presented in this thesis (section 4.4.2), and it has been presented in several international conferences. The developed algorithm allows evaluating the risk for complex objects formed by a set of boxes. A dedicated Monte Carlo method has also been described (section 4.1.2.3) and implemented to allow the evaluation of the actual collisions among a large number of simulation shots. This Monte Carlo runs are considered the truth for comparison of the algorithm results (section 4.4.4). For spacecrafts that cannot be considered as spheres, the consideration of the real geometry of the objects may allow to discard events which are not real conjunctions, or estimate with larger reliability the risk associated to the event. This is of particular importance for the case of large spacecrafts as the uncertainty in positions of actual catalogues does not reach small values to make a difference for the case of objects below meter size. As the tracking systems improve and the orbits of catalogued objects are known more precisely, the importance of considering actual shapes of the objects will become more relevant. The particular case of a very large system (as a tethered satellite) is analysed in section 5.4. Additionally, if the two colliding objects have low relative velocity (and simple geometries, case C in figure above), the most common collision risk algorithms fail and adequate theories need to be applied. In this document, a low relative velocity algorithm presented in the literature [Patera, 2001]R.26 is described and evaluated (section 4.5). Evaluation through comparison with Monte Carlo approach is provided in section 4.5.2. The main conclusion of this analysis is the suitability of this algorithm for the most common encounter characteristics, and thus it is selected as adequate for collision risk estimation. Its performances are evaluated in order to characterise when it can be safely used for a large variety of encounter characteristics. In particular, it is found that the need of using dedicated algorithms depend on both the size of collision volume in the B-plane and the miss-distance uncertainty. For large uncertainties, the need of such algorithms is more relevant since for small uncertainties the encounter duration where the covariance ellipsoids intersect is smaller. Additionally, its application for the case of complex satellite geometries is assessed (case D in figure above) by integrating the developed algorithm in this thesis with Patera’s formulation for low relative velocity encounters. The results of this analysis show that the algorithm can be easily extended for collision risk estimation process suitable for complex geometry objects (section 4.5.3). The two algorithms, together with the Monte Carlo method, have been implemented in the operational tool CORAM for ESA which is used for the evaluation of collision risk of ESA operated missions, [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. This fact shows the interest and relevance of the developed algorithms for improvement of satellite operations. The algorithms have been presented in several international conferences, [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1.

Tritium permeation experiment at IFMIF Medium Flux Test Module

Tritium release experiments using different breeding material candidates are planned for the medium flux region of the IFMIF Test Cell. Nowadays, only ceramic breeder materials have been suggested to be tested in the Tritium Release Module located in the Medium Flux Test Module of IFMIF. Liquid breeder blankets are very promising and for that reason, several concepts will be tested in ITER. One of the main problems concerning the liquid blankets is the permeation of the generated tritium in the breeder throughout the walls. Since tritium permeation is highly influenced by irradiation conditions, IFMIF is a suitable scenario to perform tritium permeation related experiments. In this paper, a preliminary design of a tritium permeation experiment for the Medium Flux Test Module of IFMIF is proposed, in order to contribute to the progress of the liquid breeder blanket concept validation. The conceptual design of the capsule in which the experiment will be performed is carried out, taking into consideration the experiment necessities and its implementation in the Tritium Release Module. In addition to this, some thermal hydraulic calculations have been performed to evaluate the thermal behaviour of the irradiation capsule

Ca-amendement and tillage: medium term synergies for improving key soil properties of acid soils. Soil and tillage research, 134: 195-206

Ca-amendments are routinely applied to improve acid soils, whilst no-tillage (NT) has been widely recommended in soils where traditional tillage (TT) has led to losses of organic matter. However, the potential interactions between the two treatments are only partially known. Our study was conducted on an annual forage crop agrosystem with a degraded Palexerult soil located in SW Spain, in order to assess if the combination of NT plus a Ca-amendment provides additional benefits to those of their separate use. To this end we analysed the effects of four different combinations of tillage and Ca-amendment on selected key soil properties, focusing on their relationships. The experimental design was a split-plot with four replicates. The main factor was tillage (NT versus TT) and the second factor was the application or not of a Ca-amendment, consisting of a mixture of sugar foam (SF) and red gypsum (RG). Soil samples were collected from 3 soil layers down to 50 cm after four years of treatment (2009). The use of the Ca-amendment improved pH and Al-toxicity down to 25 cm and increased exchangeable Ca2+ down to 50 cm, even under NT due to the combined effect of SF and RG. Both NT and the Ca-amendment had a beneficial effect on total organic carbon (TOC), especially on particulate organic carbon (POC), in the 0–5 cm layer, with the highest contents observed when both practices were combined. Unlike NT, the Ca-amendment failed to improve soil aggregation in spite of the carbon supplied. This carbon was not protected within the stable aggregates in the medium term, making it more susceptible to mineralization. We suggest that the fraction of Al extracted by oxalate from solid phase (AlOxa-Cu-K) and the glomalin-related soil proteins (GRSPs) are involved in the accumulation of carbon within water stable aggregates, probably through the formation of non-toxic stable Al-OM compounds, including those formed with GRSPs. NT alone decreased AlK in the 0–5 cm soil layer, possibly by increasing POC, TOC and GRSPs, which were observed to play a role in reducing Al toxicity. From our findings, the combination of NT and Ca-amendment appears to be the best management practice to improve chemical and physical characteristics of acid soils degraded by tillage.

Natural regeneration in mediterranean mixed forests: effect of environmental conditions on the physiological optimum niche of the species = Regeneración natural en masas mixtas mediterráneas: efecto de las condiciones ambientales en el nicho óptimo fisiológico de las especies

Los montes Mediterráneos han experimentado múltiples cambios en las últimas décadas (tanto en clima como en usos), lo que ha conducido a variaciones en la distribución de especies. El aumento previsto de las temperaturas medias junto con la mayor variabilidad intra e inter anual en cuanto a la ocurrencia de eventos extremos o disturbios naturales (como periodos prolongados de sequía, olas de frío o calor, incendios forestales o vendavales) pueden dañar significativamente al regenerado, llevándolo hasta la muerte, y jugando un papel decisivo en la composición de especies y en la dinámica del monte. La amplitud ecológica de muchas especies forestales puede verse afectada, de forma que se esperan cambios en sus nichos actuales de regeneración. Sin embargo, la migración latitudinal de las especies en busca de mejores condiciones, podría ser una explicación demasiado simplista de un proceso mucho más complejo de interacción entre la temperatura y la precipitación, que afectaría a cada especie de un modo distinto. En este sentido tanto la capacidad de adaptación al estrés ambiental de una determinada especie, así como su habilidad para competir por los recursos limitados, podría significar variaciones dentro de una comunidad. Las características fisiológicas y morfológicas propias de cada especie se encuentran fuertemente relacionadas con el lugar donde cada una puede surgir, qué especies pueden convivir y como éstas responden a las condiciones ambientales. En este sentido, el conocimiento sobre las distintas respuestas ecofisiológicas observadas ante cambios ambientales puede ser fundamentales para la predicción de variaciones en la distribución de especies, composición de la comunidad y productividad del monte ante el cambio global. En esta tesis investigamos el grado de tolerancia y sensibilidad que cada una de las tres especies de estudio, coexistentes en el interior peninsular ibérico (Pinus pinea, Quercus ilex y Juniperus oxycedrus), muestra ante los factores abióticos de estrés típicos de la región Mediterránea. Nuestro trabajo se ha basado en la definición del nicho óptimo fisiológico para el regenerado de cada especie a través de la investigación en profundidad del efecto de la sequía, la temperatura y el ambiente lumínico. Para ello, hemos desarrollado un modelo de predicción de la tasa de asimilación de carbono que nos ha permitido identificar las condiciones óptimas ambientales donde el regenerado de cada especie podría establecerse con mayor facilidad. En apoyo a este trabajo y con la idea de estudiar el efecto de la sequía a nivel de toda la planta hemos desarrollado un experimento paralelo en invernadero. Aquí se han aplicado dos regímenes hídricos para estudiar las características fisiológicas y morfológicas de cada especie, sobre todo a nivel de raíz y crecimiento del tallo, y relacionarlas con las diferentes estrategias en el uso del agua de las especies. Por último, hemos estudiado los patrones de aclimatación y desaclimatación al frio de cada especie, identificando los periodos de sensibilidad a heladas, así como cuellos de botella donde la competencia entre especies podría surgir. A pesar de que el pino piñonero ha sido la especie objeto de la gestión de estas masas durante siglos, actualmente se encuentra en la posición más desfavorable para combatir el cambio global, presentado el nicho fisiológico más estrecho de las tres especies. La encina sin embargo, ha resultado ser la especie mejor cualificada para afrontar este cambio, seguida muy de cerca por el enebro. Nuestros resultados sugieren una posible expansión en el rango de distribución de la encina, un aumento en la presencia del enebro y una disminución progresiva del pino piñonero a medio plazo en estas masas. ABSTRACT Mediterranean forests have undergone multiple changes over the last decades (in both climate and land use), which have lead to variations in the distribution of species. The expected increase in mean annual temperature together with the greater inter and intra-annual variability in extreme events and disturbances occurrence (such as prolonged drought periods, cold or heat waves, wildfires or strong winds) can significantly damage natural regeneration, up to causing death, playing a decisive role on species composition and forest dynamics. The ecological amplitude for adaptation of many species can be affected in such a way that changes in the current regeneration niches of many species are expected. However, the forecasted poleward migration of species seeking better conditions could be an oversimplification of what is a more complex phenomenon of interactions among temperature and precipitation, that would affect different species in different ways. In this regard, either the ability to adapt to environmental stresses or to compete for limited resources of a single species in a mixed forest could lead to variations within a community. The ecophysiological and morphological traits specific to each species are strongly related to the place where each species can emerge, which species can coexist, and how they respond to environmental conditions. In this regard, the understanding of the ecophysiological responses observed against changes in environmental conditions can be essential for predicting variations in species distribution, community composition, and forest productivity in the context of global change. In this thesis we investigated the degree of tolerance and sensitivity that each of the three studied species, co-occurring in central of the Iberian Peninsula (Pinus pinea, Quercus ilex and Juniperus oxycedrus), show against the typical abiotic stress factors in the Mediterranean region. Our work is based on the optimal physiological niche for regeneration of each species through in-depth research on the effect of drought, temperature and light environment. For this purpose, we developed a model to predict the carbon assimilation rate which allows us to identify the optimal environmental conditions where regeneration from each species could establish itself more easily. To obtain a better understanding about the effect of low temperature on regeneration, we studied the acclimation and deacclimation patterns to cold of each species, identifying period of frost sensitivity, as well as bottlenecks where competition between species can arise. Finally, to support our results about the effect of water availabilty, we conducted a greenhouse experiment with a view of studying the drought effect at the whole plant level. Here, two watering regimes were applied in order to study the physiological and morphological traits of each species, mainly at the level of the root system and stem growth, and so relate them to the different water use strategies of the species. Despite the fact that stone pine has been the target species for centuries, nowadays this species is in the most unfavorable position to cope with climate change. Holm oak, however, resulted the species that is best adapted to tolerate the predicted changes, followed closely by prickly juniper. Our results suggest a feasible expansion of the distribution range in holm oak, an increase in the prickly juniper presence and a progressive decreasing of stone pine presence in the medium term in these stone pine-holm oak-prickly juniper mixed forests.

Contribución al estudio de las metodologías de cálculo realista con incertidumbre (BEPU), dentro del análisis determinista de seguridad de plantas nucleares

El análisis determinista de seguridad (DSA) es el procedimiento que sirve para diseñar sistemas, estructuras y componentes relacionados con la seguridad en las plantas nucleares. El DSA se basa en simulaciones computacionales de una serie de hipotéticos accidentes representativos de la instalación, llamados escenarios base de diseño (DBS). Los organismos reguladores señalan una serie de magnitudes de seguridad que deben calcularse en las simulaciones, y establecen unos criterios reguladores de aceptación (CRA), que son restricciones que deben cumplir los valores de esas magnitudes. Las metodologías para realizar los DSA pueden ser de 2 tipos: conservadoras o realistas. Las metodologías conservadoras utilizan modelos predictivos e hipótesis marcadamente pesimistas, y, por ello, relativamente simples. No necesitan incluir un análisis de incertidumbre de sus resultados. Las metodologías realistas se basan en hipótesis y modelos predictivos realistas, generalmente mecanicistas, y se suplementan con un análisis de incertidumbre de sus principales resultados. Se les denomina también metodologías BEPU (“Best Estimate Plus Uncertainty”). En ellas, la incertidumbre se representa, básicamente, de manera probabilista. Para metodologías conservadores, los CRA son, simplemente, restricciones sobre valores calculados de las magnitudes de seguridad, que deben quedar confinados en una “región de aceptación” de su recorrido. Para metodologías BEPU, el CRA no puede ser tan sencillo, porque las magnitudes de seguridad son ahora variables inciertas. En la tesis se desarrolla la manera de introducción de la incertidumbre en los CRA. Básicamente, se mantiene el confinamiento a la misma región de aceptación, establecida por el regulador. Pero no se exige el cumplimiento estricto sino un alto nivel de certidumbre. En el formalismo adoptado, se entiende por ello un “alto nivel de probabilidad”, y ésta corresponde a la incertidumbre de cálculo de las magnitudes de seguridad. Tal incertidumbre puede considerarse como originada en los inputs al modelo de cálculo, y propagada a través de dicho modelo. Los inputs inciertos incluyen las condiciones iniciales y de frontera al cálculo, y los parámetros empíricos de modelo, que se utilizan para incorporar la incertidumbre debida a la imperfección del modelo. Se exige, por tanto, el cumplimiento del CRA con una probabilidad no menor a un valor P0 cercano a 1 y definido por el regulador (nivel de probabilidad o cobertura). Sin embargo, la de cálculo de la magnitud no es la única incertidumbre existente. Aunque un modelo (sus ecuaciones básicas) se conozca a la perfección, la aplicación input-output que produce se conoce de manera imperfecta (salvo que el modelo sea muy simple). La incertidumbre debida la ignorancia sobre la acción del modelo se denomina epistémica; también se puede decir que es incertidumbre respecto a la propagación. La consecuencia es que la probabilidad de cumplimiento del CRA no se puede conocer a la perfección; es una magnitud incierta. Y así se justifica otro término usado aquí para esta incertidumbre epistémica: metaincertidumbre. Los CRA deben incorporar los dos tipos de incertidumbre: la de cálculo de la magnitud de seguridad (aquí llamada aleatoria) y la de cálculo de la probabilidad (llamada epistémica o metaincertidumbre). Ambas incertidumbres pueden introducirse de dos maneras: separadas o combinadas. En ambos casos, el CRA se convierte en un criterio probabilista. Si se separan incertidumbres, se utiliza una probabilidad de segundo orden; si se combinan, se utiliza una probabilidad única. Si se emplea la probabilidad de segundo orden, es necesario que el regulador imponga un segundo nivel de cumplimiento, referido a la incertidumbre epistémica. Se denomina nivel regulador de confianza, y debe ser un número cercano a 1. Al par formado por los dos niveles reguladores (de probabilidad y de confianza) se le llama nivel regulador de tolerancia. En la Tesis se razona que la mejor manera de construir el CRA BEPU es separando las incertidumbres, por dos motivos. Primero, los expertos defienden el tratamiento por separado de incertidumbre aleatoria y epistémica. Segundo, el CRA separado es (salvo en casos excepcionales) más conservador que el CRA combinado. El CRA BEPU no es otra cosa que una hipótesis sobre una distribución de probabilidad, y su comprobación se realiza de forma estadística. En la tesis, los métodos estadísticos para comprobar el CRA BEPU en 3 categorías, según estén basados en construcción de regiones de tolerancia, en estimaciones de cuantiles o en estimaciones de probabilidades (ya sea de cumplimiento, ya sea de excedencia de límites reguladores). Según denominación propuesta recientemente, las dos primeras categorías corresponden a los métodos Q, y la tercera, a los métodos P. El propósito de la clasificación no es hacer un inventario de los distintos métodos en cada categoría, que son muy numerosos y variados, sino de relacionar las distintas categorías y citar los métodos más utilizados y los mejor considerados desde el punto de vista regulador. Se hace mención especial del método más utilizado hasta el momento: el método no paramétrico de Wilks, junto con su extensión, hecha por Wald, al caso multidimensional. Se decribe su método P homólogo, el intervalo de Clopper-Pearson, típicamente ignorado en el ámbito BEPU. En este contexto, se menciona el problema del coste computacional del análisis de incertidumbre. Los métodos de Wilks, Wald y Clopper-Pearson requieren que la muestra aleatortia utilizada tenga un tamaño mínimo, tanto mayor cuanto mayor el nivel de tolerancia exigido. El tamaño de muestra es un indicador del coste computacional, porque cada elemento muestral es un valor de la magnitud de seguridad, que requiere un cálculo con modelos predictivos. Se hace especial énfasis en el coste computacional cuando la magnitud de seguridad es multidimensional; es decir, cuando el CRA es un criterio múltiple. Se demuestra que, cuando las distintas componentes de la magnitud se obtienen de un mismo cálculo, el carácter multidimensional no introduce ningún coste computacional adicional. Se prueba así la falsedad de una creencia habitual en el ámbito BEPU: que el problema multidimensional sólo es atacable desde la extensión de Wald, que tiene un coste de computación creciente con la dimensión del problema. En el caso (que se da a veces) en que cada componente de la magnitud se calcula independientemente de los demás, la influencia de la dimensión en el coste no se puede evitar. Las primeras metodologías BEPU hacían la propagación de incertidumbres a través de un modelo sustitutivo (metamodelo o emulador) del modelo predictivo o código. El objetivo del metamodelo no es su capacidad predictiva, muy inferior a la del modelo original, sino reemplazar a éste exclusivamente en la propagación de incertidumbres. Para ello, el metamodelo se debe construir con los parámetros de input que más contribuyan a la incertidumbre del resultado, y eso requiere un análisis de importancia o de sensibilidad previo. Por su simplicidad, el modelo sustitutivo apenas supone coste computacional, y puede estudiarse exhaustivamente, por ejemplo mediante muestras aleatorias. En consecuencia, la incertidumbre epistémica o metaincertidumbre desaparece, y el criterio BEPU para metamodelos se convierte en una probabilidad simple. En un resumen rápido, el regulador aceptará con más facilidad los métodos estadísticos que menos hipótesis necesiten; los exactos más que los aproximados; los no paramétricos más que los paramétricos, y los frecuentistas más que los bayesianos. El criterio BEPU se basa en una probabilidad de segundo orden. La probabilidad de que las magnitudes de seguridad estén en la región de aceptación no sólo puede asimilarse a una probabilidad de éxito o un grado de cumplimiento del CRA. También tiene una interpretación métrica: representa una distancia (dentro del recorrido de las magnitudes) desde la magnitud calculada hasta los límites reguladores de aceptación. Esta interpretación da pie a una definición que propone esta tesis: la de margen de seguridad probabilista. Dada una magnitud de seguridad escalar con un límite superior de aceptación, se define el margen de seguridad (MS) entre dos valores A y B de la misma como la probabilidad de que A sea menor que B, obtenida a partir de las incertidumbres de A y B. La definición probabilista de MS tiene varias ventajas: es adimensional, puede combinarse de acuerdo con las leyes de la probabilidad y es fácilmente generalizable a varias dimensiones. Además, no cumple la propiedad simétrica. El término margen de seguridad puede aplicarse a distintas situaciones: distancia de una magnitud calculada a un límite regulador (margen de licencia); distancia del valor real de la magnitud a su valor calculado (margen analítico); distancia desde un límite regulador hasta el valor umbral de daño a una barrera (margen de barrera). Esta idea de representar distancias (en el recorrido de magnitudes de seguridad) mediante probabilidades puede aplicarse al estudio del conservadurismo. El margen analítico puede interpretarse como el grado de conservadurismo (GC) de la metodología de cálculo. Utilizando la probabilidad, se puede cuantificar el conservadurismo de límites de tolerancia de una magnitud, y se pueden establecer indicadores de conservadurismo que sirvan para comparar diferentes métodos de construcción de límites y regiones de tolerancia. Un tópico que nunca se abordado de manera rigurosa es el de la validación de metodologías BEPU. Como cualquier otro instrumento de cálculo, una metodología, antes de poder aplicarse a análisis de licencia, tiene que validarse, mediante la comparación entre sus predicciones y valores reales de las magnitudes de seguridad. Tal comparación sólo puede hacerse en escenarios de accidente para los que existan valores medidos de las magnitudes de seguridad, y eso ocurre, básicamente en instalaciones experimentales. El objetivo último del establecimiento de los CRA consiste en verificar que se cumplen para los valores reales de las magnitudes de seguridad, y no sólo para sus valores calculados. En la tesis se demuestra que una condición suficiente para este objetivo último es la conjunción del cumplimiento de 2 criterios: el CRA BEPU de licencia y un criterio análogo, pero aplicado a validación. Y el criterio de validación debe demostrarse en escenarios experimentales y extrapolarse a plantas nucleares. El criterio de licencia exige un valor mínimo (P0) del margen probabilista de licencia; el criterio de validación exige un valor mínimo del margen analítico (el GC). Esos niveles mínimos son básicamente complementarios; cuanto mayor uno, menor el otro. La práctica reguladora actual impone un valor alto al margen de licencia, y eso supone que el GC exigido es pequeño. Adoptar valores menores para P0 supone menor exigencia sobre el cumplimiento del CRA, y, en cambio, más exigencia sobre el GC de la metodología. Y es importante destacar que cuanto mayor sea el valor mínimo del margen (de licencia o analítico) mayor es el coste computacional para demostrarlo. Así que los esfuerzos computacionales también son complementarios: si uno de los niveles es alto (lo que aumenta la exigencia en el cumplimiento del criterio) aumenta el coste computacional. Si se adopta un valor medio de P0, el GC exigido también es medio, con lo que la metodología no tiene que ser muy conservadora, y el coste computacional total (licencia más validación) puede optimizarse. ABSTRACT Deterministic Safety Analysis (DSA) is the procedure used in the design of safety-related systems, structures and components of nuclear power plants (NPPs). DSA is based on computational simulations of a set of hypothetical accidents of the plant, named Design Basis Scenarios (DBS). Nuclear regulatory authorities require the calculation of a set of safety magnitudes, and define the regulatory acceptance criteria (RAC) that must be fulfilled by them. Methodologies for performing DSA van be categorized as conservative or realistic. Conservative methodologies make use of pessimistic model and assumptions, and are relatively simple. They do not need an uncertainty analysis of their results. Realistic methodologies are based on realistic (usually mechanistic) predictive models and assumptions, and need to be supplemented with uncertainty analyses of their results. They are also termed BEPU (“Best Estimate Plus Uncertainty”) methodologies, and are typically based on a probabilistic representation of the uncertainty. For conservative methodologies, the RAC are simply the restriction of calculated values of safety magnitudes to “acceptance regions” defined on their range. For BEPU methodologies, the RAC cannot be so simple, because the safety magnitudes are now uncertain. In the present Thesis, the inclusion of uncertainty in RAC is studied. Basically, the restriction to the acceptance region must be fulfilled “with a high certainty level”. Specifically, a high probability of fulfillment is required. The calculation uncertainty of the magnitudes is considered as propagated from inputs through the predictive model. Uncertain inputs include model empirical parameters, which store the uncertainty due to the model imperfection. The fulfillment of the RAC is required with a probability not less than a value P0 close to 1 and defined by the regulator (probability or coverage level). Calculation uncertainty is not the only one involved. Even if a model (i.e. the basic equations) is perfectly known, the input-output mapping produced by the model is imperfectly known (unless the model is very simple). This ignorance is called epistemic uncertainty, and it is associated to the process of propagation). In fact, it is propagated to the probability of fulfilling the RAC. Another term used on the Thesis for this epistemic uncertainty is metauncertainty. The RAC must include the two types of uncertainty: one for the calculation of the magnitude (aleatory uncertainty); the other one, for the calculation of the probability (epistemic uncertainty). The two uncertainties can be taken into account in a separate fashion, or can be combined. In any case the RAC becomes a probabilistic criterion. If uncertainties are separated, a second-order probability is used; of both are combined, a single probability is used. On the first case, the regulator must define a level of fulfillment for the epistemic uncertainty, termed regulatory confidence level, as a value close to 1. The pair of regulatory levels (probability and confidence) is termed the regulatory tolerance level. The Thesis concludes that the adequate way of setting the BEPU RAC is by separating the uncertainties. There are two reasons to do so: experts recommend the separation of aleatory and epistemic uncertainty; and the separated RAC is in general more conservative than the joint RAC. The BEPU RAC is a hypothesis on a probability distribution, and must be statistically tested. The Thesis classifies the statistical methods to verify the RAC fulfillment in 3 categories: methods based on tolerance regions, in quantile estimators and on probability (of success or failure) estimators. The former two have been termed Q-methods, whereas those in the third category are termed P-methods. The purpose of our categorization is not to make an exhaustive survey of the very numerous existing methods. Rather, the goal is to relate the three categories and examine the most used methods from a regulatory standpoint. Special mention deserves the most used method, due to Wilks, and its extension to multidimensional variables (due to Wald). The counterpart P-method of Wilks’ is Clopper-Pearson interval, typically ignored in the BEPU realm. The problem of the computational cost of an uncertainty analysis is tackled. Wilks’, Wald’s and Clopper-Pearson methods require a minimum sample size, which is a growing function of the tolerance level. The sample size is an indicator of the computational cost, because each element of the sample must be calculated with the predictive models (codes). When the RAC is a multiple criteria, the safety magnitude becomes multidimensional. When all its components are output of the same calculation, the multidimensional character does not introduce additional computational cost. In this way, an extended idea in the BEPU realm, stating that the multi-D problem can only be tackled with the Wald extension, is proven to be false. When the components of the magnitude are independently calculated, the influence of the problem dimension on the cost cannot be avoided. The former BEPU methodologies performed the uncertainty propagation through a surrogate model of the code, also termed emulator or metamodel. The goal of a metamodel is not the predictive capability, clearly worse to the original code, but the capacity to propagate uncertainties with a lower computational cost. The emulator must contain the input parameters contributing the most to the output uncertainty, and this requires a previous importance analysis. The surrogate model is practically inexpensive to run, so that it can be exhaustively analyzed through Monte Carlo. Therefore, the epistemic uncertainty due to sampling will be reduced to almost zero, and the BEPU RAC for metamodels includes a simple probability. The regulatory authority will tend to accept the use of statistical methods which need a minimum of assumptions: exact, nonparametric and frequentist methods rather than approximate, parametric and bayesian methods, respectively. The BEPU RAC is based on a second-order probability. The probability of the safety magnitudes being inside the acceptance region is a success probability and can be interpreted as a fulfillment degree if the RAC. Furthermore, it has a metric interpretation, as a distance (in the range of magnitudes) from calculated values of the magnitudes to acceptance regulatory limits. A probabilistic definition of safety margin (SM) is proposed in the thesis. The same from a value A to other value B of a safety magnitude is defined as the probability that A is less severe than B, obtained from the uncertainties if A and B. The probabilistic definition of SM has several advantages: it is nondimensional, ranges in the interval (0,1) and can be easily generalized to multiple dimensions. Furthermore, probabilistic SM are combined according to the probability laws. And a basic property: probabilistic SM are not symmetric. There are several types of SM: distance from a calculated value to a regulatory limit (licensing margin); or from the real value to the calculated value of a magnitude (analytical margin); or from the regulatory limit to the damage threshold (barrier margin). These representations of distances (in the magnitudes’ range) as probabilities can be applied to the quantification of conservativeness. Analytical margins can be interpreted as the degree of conservativeness (DG) of the computational methodology. Conservativeness indicators are established in the Thesis, useful in the comparison of different methods of constructing tolerance limits and regions. There is a topic which has not been rigorously tackled to the date: the validation of BEPU methodologies. Before being applied in licensing, methodologies must be validated, on the basis of comparisons of their predictions ad real values of the safety magnitudes. Real data are obtained, basically, in experimental facilities. The ultimate goal of establishing RAC is to verify that real values (aside from calculated values) fulfill them. In the Thesis it is proved that a sufficient condition for this goal is the conjunction of 2 criteria: the BEPU RAC and an analogous criterion for validation. And this las criterion must be proved in experimental scenarios and extrapolated to NPPs. The licensing RAC requires a minimum value (P0) of the probabilistic licensing margin; the validation criterion requires a minimum value of the analytical margin (i.e., of the DG). These minimum values are basically complementary; the higher one of them, the lower the other one. The regulatory practice sets a high value on the licensing margin, so that the required DG is low. The possible adoption of lower values for P0 would imply weaker exigence on the RCA fulfillment and, on the other hand, higher exigence on the conservativeness of the methodology. It is important to highlight that a higher minimum value of the licensing or analytical margin requires a higher computational cost. Therefore, the computational efforts are also complementary. If medium levels are adopted, the required DG is also medium, and the methodology does not need to be very conservative. The total computational effort (licensing plus validation) could be optimized.

Caracterización del hormigón en relación a la difusión de gases y su correlación con el radón

Radon gas (Rn) is a natural radioactive gas present in some soils and able to penetrate buildings through the building envelope in contact with the soil. Radon can accumulate within buildings and consequently be inhaled by their occupants. Because it is a radioactive gas, its disintegration process produces alpha particles that, in contact with the lung epithelia, can produce alterations potentially giving rise to cancer. Many international organizations related to health protection, such as WHO, confirm this causality. One way to avoid the accumulation of radon in buildings is to use the building envelope as a radon barrier. The extent to which concrete provides such a barrier is described by its radon diffusion coefficient (DRn), a parameter closely related to porosity (ɛ) and tortuosity factor (τ). The measurement of the radon diffusion coefficient presents challenges, due to the absence of standard procedures, the requirement to establish adequate airtightness in testing apparatus (referred to here as the diffusion cell), and due to the fact that measurement has to be carried out in an environment certified for use of radon calibrated sources. In addition to this calibrated radon sources are costly. The measurement of the diffusion coefficient for non-radioactive gas is less complex, but nevertheless retains a degree of difficulty due to the need to provide reliably airtight apparatus for all tests. Other parameters that can characterize and describe the process of gas transport through concrete include the permeability coefficient (K) and the electrical resistivity (ρe), both of which can be measured relatively easily with standardized procedure. The use of these parameters would simplify the characterization of concrete behaviour as a radon barrier. Although earlier studies exist, describing correlation among these parameters, there is, as has been observed in the literature, little common ground between the various research efforts. For precisely this reason, prior to any attempt to measure radon diffusion, it was deemed necessary to carry out further research in this area, as a foundation to the current work, to explore potential relationships among the following parameters: porosity-tortuosity, oxygen diffusion coefficient, permeability coefficient and resistivity. Permeability coefficient measurement (m2) presents a more straightforward challenge than diffusion coefficient measurement. Some authors identify a relationship between both coefficients, including Gaber (1988), who proposes: k= a•Dn Equation 1 Where: a=A/(8ΠD020), A = sample cross-section, D020 = diffusion coefficient in air (m2/s). Other studies (Klink et al. 1999, Gaber and Schlattner 1997, Gräf and Grube et al. 1986), experimentally relate both coefficients of different types of concrete confirming that this relationship exists, as represented by the simplified expression: k≈Dn Equation 2 In each particular study a different value for n was established, varying from 1.3 to 2.5, but this requires determination of a value for n in a more general way because these proposed models cannot estimate diffusion coefficient. If diffusion coefficient has to be measured to be able to establish n, these relationships are not interesting. The measurement of electric resistivity is easier than diffusion coefficient measurement. Correlation between the parameters can be established via Einstein´s law that relates movement of electrical charges to media conductivity according to the expression: D_e=k/ρ Equation 3 Where: De = diffusion coefficient (cm2/s), K = constant, ρ = electric resistivity (Ω•cm). The tortuosity factor is used to represent the uneven geometry of concrete pores, which are described as being not straight, but tortuous. This factor was first introduced in the literature to relate global porosity with fluid transport in a porous media, and can be formulated in a number of different ways. For example, it can take the form of equation 4 (Mason y Malinauskas), which combines molecular and Knudsen diffusion using the tortuosity factor: D=ε^τ (3/2r √(πM/8RT+1/D_0 ))^(-1) Equation 4 Where: r = medium radius obtained from MIP (µm), M = gas molecular mass, R = ideal gases constant, T = temperature (K), D0 = coefficient diffusion in the air (m2/s). Few studies provide any insight as to how to obtain the tortuosity factor. The work of Andrade (2012) is exceptional in this sense, as it outlines how the tortuosity factor can be deduced from pore size distribution (from MIP) from the equation: ∅_th=∅_0•ε^(-τ). Equation 5 Where: Øth = threshold diameter (µm), Ø0 = minimum diameter (µm), ɛ = global porosity, τ = tortuosity factor. Alternatively, the following equation may be used to obtain the tortuosity factor: DO2=D0*ɛτ Equation 6 Where: DO2 = oxygen diffusion coefficient obtained experimentally (m2/s), DO20 = oxygen diffusion coefficient in the air (m2/s). This equation has been inferred from Archie´s law ρ_e=〖a•ρ〗_0•ɛ^(-m) and from the Einstein law mentioned above, using the values of oxygen diffusion coefficient obtained experimentally. The principal objective of the current study was to establish correlations between the different parameters that characterize gas transport through concrete. The achievement of this goal will facilitate the assessment of the useful life of concrete, as well as open the door to the pro-active planning for the use of concrete as a radon barrier. Two further objectives were formulated within the current study: 1.- To develop a method for measurement of gas coefficient diffusion in concrete. 2.- To model an analytic estimation of radon diffusion coefficient from parameters related to concrete porosity and tortuosity factor. In order to assess the possible correlations, parameters have been measured using the standardized procedures or purpose-built in the laboratory for the study of equations 1, 2 y 3. To measure the gas diffusion coefficient, a diffusion cell was designed and manufactured, with the design evolving over several cycles of research, leading ultimately to a unit that is reliably air tight. The analytic estimation of the radon diffusion coefficient DRn in concrete is based on concrete global porosity (ɛ), whose values may be experimentally obtained from a mercury intrusion porosimetry test (MIP), and from its tortuosity factor (τ), derived using the relations expressed in equations 5 y 6. The conclusions of the study are: Several models based on regressions, for concrete with a relative humidity of 50%, have been proposed to obtain the diffusion coefficient following the equations K=Dn, K=a*Dn y D=n/ρe. The final of these three relations is the one with the determination coefficient closest to a value of 1: D=(19,997*LNɛ+59,354)/ρe Equation 7 The values of the obtained oxygen diffusion coefficient adjust quite well to those experimentally measured. The proposed method for the measurement of the gas coefficient diffusion is considered to be adequate. The values obtained for the oxygen diffusion coefficient are within the range of those proposed by the literature (10-7 a 10-8 m2/s), and are consistent with the other studied parameters. Tortuosity factors obtained using pore distribution and the expression Ø=Ø0*ɛ-τ are inferior to those from resistivity ρ=ρ0*ɛ-τ. The closest relationship to it is the one with porosity of pore diameter 1 µm (τ=2,07), being 7,21% inferior. Tortuosity factors obtained from the expression DO2=D0*ɛτ are similar to those from resistivity: for global tortuosity τ=2,26 and for the rest of porosities τ=0,7. Estimated radon diffusion coefficients are within the range of those consulted in literature (10-8 a 10-10 m2/s).ABSTRACT El gas radón (Rn) es un gas natural radioactivo presente en algunos terrenos que puede penetrar en los edificios a través de los cerramientos en contacto con el mismo. En los espacios interiores se puede acumular y ser inhalado por las personas. Al ser un gas radioactivo, en su proceso de desintegración emite partículas alfa que, al entrar en contacto con el epitelio pulmonar, pueden producir alteraciones del mismo causando cáncer. Muchos organismos internacionales relacionados con la protección de la salud, como es la OMS, confirman esta causalidad. Una de las formas de evitar que el radón penetre en los edificios es utilizando las propiedades de barrera frente al radón de su propia envolvente en contacto con el terreno. La principal característica del hormigón que confiere la propiedad de barrera frente al radón cuando conforma esta envolvente es su permeabilidad que se puede caracterizar mediante su coeficiente de difusión (DRn). El coeficiente de difusión de un gas en el hormigón es un parámetro que está muy relacionado con su porosidad (ɛ) y su tortuosidad (τ). La medida del coeficiente de difusión del radón resulta bastante complicada debido a que el procedimiento no está normalizado, a que es necesario asegurar una estanquidad a la celda de medida de la difusión y a que la medida tiene que ser realizada en un laboratorio cualificado para el uso de fuentes de radón calibradas, que además son muy caras. La medida del coeficiente de difusión de gases no radioactivos es menos compleja, pero sigue teniendo un alto grado de dificultad puesto que tampoco está normalizada, y se sigue teniendo el problema de lograr una estanqueidad adecuada de la celda de difusión. Otros parámetros que pueden caracterizar el proceso son el coeficiente de permeabilidad (K) y la resistividad eléctrica (ρe), que son más fáciles de determinar mediante ensayos que sí están normalizados. El uso de estos parámetros facilitaría la caracterización del hormigón como barrera frente al radón, pero aunque existen algunos estudios que proponen correlaciones entre estos parámetros, en general existe divergencias entre los investigadores, como se ha podido comprobar en la revisión bibliográfica realizada. Por ello, antes de tratar de medir la difusión del radón se ha considerado necesario realizar más estudios que puedan clarificar las posibles relaciones entre los parámetros: porosidad-tortuosidad, coeficiente de difusión del oxígeno, coeficiente de permeabilidad y resistividad. La medida del coeficiente de permeabilidad (m2) es más sencilla que el de difusión. Hay autores que relacionan el coeficiente de permeabilidad con el de difusión. Gaber (1988) propone la siguiente relación: k= a•Dn Ecuación 1 En donde: a=A/(8ΠD020), A = sección de la muestra, D020 = coeficiente de difusión en el aire (m2/s). Otros estudios (Klink et al. 1999, Gaber y Schlattner 1997, Gräf y Grube et al. 1986) relacionan de forma experimental los coeficientes de difusión de radón y de permeabilidad de distintos hormigones confirmando que existe una relación entre ambos parámetros, utilizando la expresión simplificada: k≈Dn Ecuación 2 En cada estudio concreto se han encontrado distintos valores para n que van desde 1,3 a 2,5 lo que lleva a la necesidad de determinar n porque no hay métodos que eviten la determinación del coeficiente de difusión. Si se mide la difusión ya deja de ser de interés la medida indirecta a través de la permeabilidad. La medida de la resistividad eléctrica es muchísimo más sencilla que la de la difusión. La relación entre ambos parámetros se puede establecer a través de una de las leyes de Einstein que relaciona el movimiento de cargas eléctricas con la conductividad del medio según la siguiente expresión: D_e=k/ρ_e Ecuación 3 En donde: De = coeficiente de difusión (cm2/s), K = constante, ρe = resistividad eléctrica (Ω•cm). El factor de tortuosidad es un factor de forma que representa la irregular geometría de los poros del hormigón, al no ser rectos sino tener una forma tortuosa. Este factor se introduce en la literatura para relacionar la porosidad total con el transporte de un fluido en un medio poroso y se puede formular de distintas formas. Por ejemplo se destaca la ecuación 4 (Mason y Malinauskas) que combina la difusión molecular y la de Knudsen utilizando el factor de tortuosidad: D=ε^τ (3/2r √(πM/8RT+1/D_0 ))^(-1) Ecuación 4 En donde: r = radio medio obtenido del MIP (µm), M = peso molecular del gas, R = constante de los gases ideales, T = temperatura (K), D0 = coeficiente de difusión de un gas en el aire (m2/s). No hay muchos estudios que proporcionen una forma de obtener este factor de tortuosidad. Destaca el estudio de Andrade (2012) en el que deduce el factor de tortuosidad de la distribución del tamaño de poros (curva de porosidad por intrusión de mercurio) a partir de la ecuación: ∅_th=∅_0•ε^(-τ) Ecuación 5 En donde: Øth = diámetro umbral (µm), Ø0 = diámetro mínimo (µm), ɛ = porosidad global, τ = factor de tortuosidad. Por otro lado, se podría utilizar también para obtener el factor de tortuosidad la relación: DO2=D0*-τ Ecuación 6 En donde: DO2 = coeficiente de difusión del oxígeno experimental (m2/s), DO20 = coeficiente de difusión del oxígeno en el aire (m2/s). Esta ecuación está inferida de la ley de Archie ρ_e=〖a•ρ〗_0•ɛ^(-m) y la de Einstein mencionada anteriormente, utilizando valores del coeficiente de difusión del oxígeno DO2 obtenidos experimentalmente. El objetivo fundamental de la tesis es encontrar correlaciones entre los distintos parámetros que caracterizan el transporte de gases a través del hormigón. La consecución de este objetivo facilitará la evaluación de la vida útil del hormigón así como otras posibilidades, como la evaluación del hormigón como elemento que pueda ser utilizado en la construcción de nuevos edificios como barrera frente al gas radón presente en el terreno. Se plantean también los siguientes objetivos parciales en la tesis: 1.- Elaborar una metodología para la medida del coeficiente de difusión de los gases en el hormigón. 2.- Plantear una estimación analítica del coeficiente de difusión del radón a partir de parámetros relacionados con su porosidad y su factor de tortuosidad. Para el estudio de las correlaciones posibles, se han medido los parámetros con los procedimientos normalizados o puestos a punto en el propio Instituto, y se han estudiado las reflejadas en las ecuaciones 1, 2 y 3. Para la medida del coeficiente de difusión de gases se ha fabricado una celda que ha exigido una gran variedad de detalles experimentales con el fin de hacerla estanca. Para la estimación analítica del coeficiente de difusión del radón DRn en el hormigón se ha partido de su porosidad global (ɛ), que se obtiene experimentalmente del ensayo de porosimetría por intrusión de mercurio (MIP), y de su factor de tortuosidad (τ), que se ha obtenido a partir de las relaciones reflejadas en las ecuaciones 5 y 6. Las principales conclusiones obtenidas son las siguientes: Se proponen modelos basados en regresiones, para un acondicionamiento con humedad relativa de 50%, para obtener el coeficiente de difusión del oxígeno según las relaciones: K=Dn, K=a*Dn y D=n/ρe. La propuesta para esta última relación es la que tiene un mejor ajuste con R2=0,999: D=(19,997*LNɛ+59,354)/ρe Ecuación 7 Los valores del coeficiente de difusión del oxígeno así estimados se ajustan a los obtenidos experimentalmente. Se considera adecuado el método propuesto de medida del coeficiente de difusión para gases. Los resultados obtenidos para el coeficiente de difusión del oxígeno se encuentran dentro del rango de los consultados en la literatura (10-7 a 10-8 m2/s) y son coherentes con el resto de parámetros estudiados. Los resultados de los factores de tortuosidad obtenidos de la relación Ø=Ø0*ɛ-τ son inferiores a la de la resistividad (ρ=ρ0*ɛ-τ). La relación que más se ajusta a ésta, siendo un 7,21% inferior, es la de la porosidad correspondiente al diámetro 1 µm con τ=2,07. Los resultados de los factores de tortuosidad obtenidos de la relación DO2=D0*ɛτ son similares a la de la resistividad: para la porosidad global τ=2,26 y para el resto de porosidades τ=0,7. Los coeficientes de difusión de radón estimados mediante estos factores de tortuosidad están dentro del rango de los consultados en la literatura (10-8 a 10-10 m2/s).

Elementos peatonales de las ciudades medias españolas : tipos, orígenes, relaciones y articulaciones

A través de esta tesis se busca aportar un análisis de los elementos peatonales que cubren las necesidades y las infraestructuras de apoyo al peatón, siendo un campo poco desarrollado en nuestro país a diferencia de otros como Dinamarca, Reino Unido, Alemania y Holanda, donde las actuaciones peatonales ejecutadas son tradicionales y muy exitosas. Se trata por tanto de un tema poco estudiado pero que adquiere singular importancia en estos años de búsqueda de nuevos modelos urbanos que eviten el derroche de recursos, y avancen hacia formas de movilidad más adecuadas a un mundo limitado y vulnerable. La investigación tiene un carácter eminentemente descriptivo cuyo principal valor es documentar y analizar sistemáticamente una realidad poco conocida, aportándose datos para entender el origen y desarrollo de las actuaciones peatonales. El propósito es ayudar a cimentar este campo en nuestro país, definiendo con precisión el estado de la cuestión geográficamente y dejando para un futuro una cartografía temática completa. El objeto general es estudiar y comprender los elementos peatonales de un número limitado de ciudades medias españolas, marcándose como objetivos específicos los siguientes: - Identificar y describir los principales elementos que conforman la red peatonal de las ciudades. ‐ Estudiar las tipologías espaciales dominantes, sus características y orígenes, pudiendo distinguir de un lado, las desarrolladas en la ciudad consolidada, como las actuaciones en los cascos antiguos; y por otro, las ejecutadas en la ciudad nueva a través de fórmulas arquitectónicas generalmente residenciales con espacios peatonales adjuntos. ‐ Analizar los referidos elementos para comprobar si han conformado redes de uso peatonal, si se han constituido articulando la ciudad como en el caso de los ejes lineales en las ciudades con río o mar, o si han influenciado el carácter del entorno en el que se han realizado, centrando el interés en los cascos históricos peatonalizados. ‐ Comprobar si hay actuaciones complementarias a los procesos de urbanización y mejora urbanística, así como la aprobación de ayudas y subvenciones para afrontar las mismas. ‐ Finalmente, describir y evaluar los procesos y procedimientos mediante los que se produce la peatonalización de determinadas áreas urbanas, los orígenes, los instrumentos y fechas de su puesta en marcha, aportando una cronología peatonal. La metodología comienza con la acotación de 22 ciudades españolas, capitales de provincia con una población entre 100.000 y 500.000 habitantes según los datos del INE del año 2009. La distribución es equilibrada con la selección de ciudades de costa, de interior, con río/ría, con carácter patrimonial, ciudades en islas, etc. El análisis de los elementos peatonales de estas urbes se realiza gracias a la gran resolución de las bases cartográficas públicas y privadas que hay en la actualidad en internet, especialmente con el uso de las herramientas de Google Earth y Google Maps en su versión “street view”, softwares que permiten un paseo virtual de cada ciudad detallándose con gran precisión las actuaciones peatonales. Las ciudades elegidas son: ‐ 11 ciudades costeras: Alicante, Almería, Bilbao, Cádiz, Castellón de la Plana, Huelva, Las Palmas de Gran Canaria, Palma de Mallorca, Santander, San Sebastián y Tarragona. ‐ 11 ciudades de interior: Albacete, Burgos, Córdoba, León, Lérida, Logroño, Oviedo, Murcia, Pamplona, Valladolid y Vitoria. Finalmente, por tener los porcentajes mas elevados de las áreas peatonales de sus casco histórico, se eligen 3 casos de ciudades representativas para un desarrollo peatonal en profundidad, seleccionándose Burgos, San Sebastián y Pamplona. Otros aspectos metodológicos interesantes a destacar, es la extensa documentación adquirida a través de las fuentes de Internet, sobre todo a la hora de desarrollar el último capítulo “Procesos de peatonalización de las ciudades españolas” centrado en las 3 ciudades elegidas. Se consulta las hemerotecas de periódicos locales, los boletines oficiales, las actas de los plenos de los Ayuntamientos y los documentos de planificación (Planes Generales, Planes Especiales, Planes y Proyectos Municipales, Planes de Movilidad), adquiriéndose una precisa información en cuanto a la cronología de las fechas y extensión del trabajo. Se complementa la metodología con las entrevistas a actores claves en el proceso peatonal, como el personal técnico de los Ayuntamiento y los técnicos redactores de los proyectos; y con la colaboración directa de los técnicos de los consistorios de las 3 ciudades seleccionadas, aportando todo tipo de información demandada. En la tesis, se introduce los elementos peatonales mediante el estudio de los espacios peatonales y los procesos de peatonalización existentes, a través del análisis de la literatura consultada aportándose información valiosa en cuanto a la definición de los modelos peatonales, exponiéndose una breve historia de las peatonalizaciones. Destacan las publicaciones de los expertos europeos en la materia como los autores Carmen Hass-Klau, Rolf Monheim, Rob Krier y Collin Buchanan. En España, las actuaciones peatonales fueron tardías en el tiempo en comparación con el resto de Europa, con casi 40 años de retraso. Las referencias bibliográficas españolas en esta materia son escasas siendo las mas significativas las realizadas por Alfonso Sanz y por el profesor Julio Pozueta destacando una de sus últimas publicaciones “La ciudad paseable” describiéndose los elementos peatonales existentes en las ciudades, sirviendo como modelo y ejemplo para esta investigación. En base a lo anterior, se definen los elementos peatonales como aquellos espacios públicos libres de edificación que, por sus características y diseño, garantizan un confortable uso estancial, de tránsito peatonal y están expresamente reservados para ello. En la tesis se detectan y se especifican los siguientes elementos peatonales: las calles y plazas peatonales, las aceras y bulevares de una anchura superior a 8 metros, los paseos peatonales, los elementos de paso (tradicionales y mecánicos), espacios peatonales ligados a nuevas áreas residenciales, los soportales y pasajes peatonales con una anchura mínima de 4 metros, recintos feriales, espacios libres y zonas verdes y parques. Para cada una de las 22 ciudades seleccionadas se realiza un exhaustivo inventario de los anteriores elementos a través de fichas, aportando un gran número de proyectos individuales ejecutados en cada urbe. Esta información se recoge gráficamente en 2 fotoplanos, conformándose como herramientas fundamentales para esta investigación. El Fotoplano 1 se hace sobre la base de la ciudad del Google Earth diferenciándose las áreas peatonales y las zonas verdes. En el Fotoplano 2, y con el soporte anterior, se distinguen las tipologías persistentes y dominantes como son los grandes ejes peatonales, las redes peatonales locales y los elementos peatonales singulares. Finalmente, a partir de los 2 fotoplanos, se realiza la denominada “Huella peatonal” que destaca por su atractivo y pregnancia, algo de lo que el campo de lo peatonal es muy útil. A través de la huella se obtiene una rápida información al tener el plano dos colores, color naranja para lo peatonal (formado por las áreas peatonales y zonas verdes) y color negro para el resto el resto no peatonal. Toda esta documentación gráfica y descriptiva de los elementos peatonales de cada ciudad, queda ampliamente recogida en el Anexo de la tesis. La “Huella peatonal” se considera como el plano básico en la investigación obteniendo una percepción rápida, clara y visual del espacio peatonal de cada ciudad. Se arroja información morfológica con respecto a la distribución espacial, articulación, equilibrio, modulación, cohesión, concentración peatonal, etc. de cada una de las ciudades seleccionadas. A través de la huella se resuelve muchos de las cuestiones enmarcadas como objetivos de la tesis, comprobándose de forma general, que los elementos peatonales dentro de la trama urbana están desarticulados ya que no hay una estructura que module la ciudad como un conjunto cohesionado. Se localizan pequeñas redes conectadas entre sí, que de forma heterogénea, están dispersas por la ciudad. Se verifica que los elementos peatonales con mayor concentración y presencia en las ciudades analizadas son los ejes peatonales, los cascos históricos y los elementos peatonales en las nuevas áreas residenciales. En la investigación, además de estos 3 elementos mencionados, se analiza con mayor profundidad otros tipos que destacan por su persistencia y repetición en la “Huella peatonal” de cada una de las 22 ciudades, como son las plazas peatonales, los soportales y los elementos singulares peatonales: espacios tradicionales (recintos feriales, pasajes, puentes históricos), nuevos elementos peatonales (pasarelas peatonales, elementos mecánicos de paso), áreas peatonales entorno a edificios culturales y otros casos como los consistentes en la recuperación y transformación de edificaciones y construcciones urbanas de diferente uso y tipología, en nuevas áreas peatonales. Se aporta luz sobre su definición, localización, cronología, proporción, presencia y génesis, facilitando resultados de cada uno de ellos. De forma paralela, se obtiene información de índole cuantitativa a través de las mediciones de la huella, obteniéndose datos y porcentajes de extensión de la ciudad, de las zonas peatonales y de las zonas verdes, de los cascos históricos y de sus superficies peatonales, de los metros lineales de dichos cascos históricos y de sus calles peatonales. Se proporcionan ratios e índices que se consideran fundamentales para una mejor comprensión peatonal de cada urbe. Se establece una clasificación de las ciudades en cada uno de los ámbitos descritos, destacando las ciudades de Pamplona, San Sebastián y Burgos por arrojar las cifras peatonales más positivas encabezando la mayoría de las tablas clasificatorias. La peor ciudad valorada es Alicante, seguida según criterio, de Almería, Palma de Mallorca y Las Palmas de GC. En el capítulo final de la investigación, se eligen las ciudades de Burgos, San Sebastián y Pamplona como casos de estudio representativos. El objetivo es obtener un conocimiento más preciso en cuanto a su origen, cronología y procesos de las peatonalizaciones. Cada ciudad se compone de un cuadro cronológicos por etapas, desarrollándose de forma exhaustiva cada una de ellas, enunciadas normalmente, como instrumentos de planeamiento o proyectos de urbanización, acompañadas de los planos de las actuaciones peatonales. Al final de cada etapa se aportan datos de las cifras de las peatonalizaciones que se van realizando, con un cuadro numérico de localizaciones, superficie peatonal, superficie reurbanizada, longitud peatonal y el grado de peatonalización del casco histórico, además de los datos acumulados por etapa. De las conclusiones cruzadas de estas 3 ciudades, destaca la comprobación de la tendencia de ir peatonalizando los centros antiguos llegando incluso al 100% de calles peatonales en el caso de San Sebastián. No obstante, es difícil confirmar si el objetivo es una peatonalización global de los cascos, ya que son muchas las variables que afectan e influyen en el proceso peatonal de cada ciudad. Se coteja adicionalmente cómo se extiende la cultura peatonal desde el interior al exterior, mas allá de los cascos históricos hacia los ensanches próximos. En cuanto al origen de las peatonalizaciones, se concluye que no hay una concepción inicial y teórica marcada, a partir de la cual se va desarrollando la trama peatonal de cada ciudad. Se puede afirmar que los procesos peatonales ejecutados son variados y de diversa índole, sin poder precisar un hecho como causa principal. Según el momento y las circunstancias, las peatonalizaciones responden a distintas iniciativas promovidas por los comerciantes, por las administraciones locales o por los técnicos de planeamiento, con sus expertas aportaciones en los planes. Estos tres agentes actúan como impulsores de proyectos individuales peatonales que se van solapando en el tiempo. Como punto final de la tesis, se propone una serie de nuevas líneas de investigación que pueden servir como estudio adicional y complementario, respondiendo a aspectos tan relevantes como cuestiones de índole económica, social y de movilidad, fuertemente ligadas a las peatonalizaciones, tal y como se demuestra en la literatura consultada. ABSTRACT This thesis aims to analyse the pedestrian elements dealing with the needs and infrastructures that support pedestrians, as this is a field that is little developed in our country, in comparison to other regions such as Denmark, the United Kingdom, Germany and the Netherlands, where the pedestrian actions implemented are traditional and highly successful. Therefore, even though little research has been done about this topic, this field is increasingly important throughout these years of search for urban models intended to prevent the waste of resources and to develop new mobility ways, more adapted to a limited, vulnerable world. This research is essentially descriptive and it mainly aims to document and systematically analysed a scarcely known reality by providing data in order to understand the origin and development of pedestrian actions. This thesis intends to lay the foundations of this field in Spain, accurately defining the state of the art from a geographical point of view and preparing a full thematic map that may be used in the future. The overall aim is to study and understand the pedestrian elements of a limited number of Spanish medium-size cities, establishing the following specific goals: - To identify and describe the main elements comprising cities' pedestrian networks. - To study of special predominant typologies, their features and origins, with the possibility to, on the one hand, make a difference between the typologies developed in well-established cities, such as the actions in historic quarters, and, on the other hand, those implemented in new cities through generally residential architectural formulae with adjoining pedestrian areas. - To analyse the said elements in order to check whether they have resulted in pedestrian-use networks, whether they have been established by organising the city, such as the linear axes in coastal and riverside cities, or whether they have had an impact on the character of the areas where these elements have been implemented, focusing on pedestrian historic quarters. - Check whether there are actions supplementary to the urban development and urban improvement processes, as well as the approval of financial support and subventions to deal with these actions. - Finally, to describe and assess the processes and procedures by which the pedestrianisation of certain urban areas is carried out, the origins, the instruments and the date of their implementation, providing a pedestrian timeline. The methodology starts by defining 22 Spanish cities, province capitals with a population ranging from 100,000 to 500,000 inhabitants, according to the data recorded by the Spanish Statistics Institute (INE) in 2009. The distribution of coastal, riverside and interior cities, as well as of patrimonial cities and cities in islands, etc. is well balanced. The analysis of the pedestrian elements of these cities is made with the great resolution of the public and private map databases that can be accessed on the Internet, especially using the "street-view" version of tools such as Google Earth and Google Maps, software applications that allow to go for a virtual walk in each city, providing highly precise details about the pedestrian actions. The following cities have been chosen: ‐ 11 coastal cities: Alicante, Almería, Bilbao, Cádiz, Castellón de la Plana, Huelva, Las Palmas de Gran Canaria, Palma de Mallorca, Santander, San Sebastián and Tarragona. ‐ 11 interior cities: Albacete, Burgos, Córdoba, León, Lérida, Logroño, Oviedo, Murcia, Pamplona, Valladolid and Vitoria. Finally, as they have the highest percentages regarding the pedestrian areas found in the historic quarters, 3 cities representing a deep pedestrian development have been chosen: Burgos, San Sebastián and Pamplona. Other significant methodological aspects are the many documents found from online sources, especially when preparing the last chapter: “Processes for the pedestrianisation of Spanish cities”, which focuses on the 3 cities chosen. Local newspaper and periodical libraries, official gazettes, the minutes of plenary sessions of councils and the zoning regulation documents (General Zoning Plans, Special Zoning Plans, Municipal Plans and Projects, Mobility Plans, etc.) have been consulted, obtaining accurate information regarding the timeline and the extension of the works carried out. The methodology is supplemented by interviews with key players in the pedestrianisation process, such as the technical staff in councils and the officers drafting and designing the projects, as well as with the direct collaboration by the officers of the councils of the 3 cities chosen, who provided all the information requested. The thesis introduces the pedestrian elements by studying pedestrian areas and existing pedestrianisation processes through the analysis of the literature consulted, providing valuable information for the definition of pedestrian models and showing a brief history and background of the pedestrianisation process. Remarkable papers published by some European experts in the field, such as Carmen Hass-Klau, Rolf Monheim and Collin Buchanan, are covered in the thesis. In Spain, the pedestrianisation actions were late in time in comparison to the rest of Europe, with at least 40 years of delay. The Spanish literature references in this field are limited. The most significant papers are those published by Alfonso Sanz and by Professor Julio Pozueta, with a special mention of one of his last works "La ciudad paseable" (The Walkable City), which describes the pedestrian elements found in the cities and is used a model and an example for this research. Based on the elements above, pedestrian elements are defined as those construction-free public areas that, due to their features and design, ensure the comfortable, convenient use of the spaces, characterised by pedestrian traffic and specifically reserved for this purpose. The thesis detects and specifies the following pedestrian elements: pedestrian streets and squares, pavements (sidewalks) and boulevards with a width exceeding 8 metres, pedestrian promenades, crossing elements (traditional and mechanical), pedestrian spaces linked to new residential areas, colonnades and pedestrian passages or narrow streets with a minimum width of 4 metres, exhibition sites, free spaces and green areas and parks. For each of the 22 cities chosen, a thorough inventory of the elements mentioned above has been made by using worksheets, providing a significant number of individual projects developed in each city. This information is graphically collected and displayed on 2 photomaps, resulting in tools essential for this research. Photomap 1 is made based on the city displayed by Google Earth, making a difference between pedestrian areas and green areas. On Photomap 2, using the tool mentioned above, a difference can be made between persistent and predominant typologies, such as the big pedestrian axes, the local pedestrian networks and singular pedestrian elements. Finally, the 2 photomaps are used in order to establish the so-called "pedestrian footprint", which is highlighted by its attractiveness and appeal, concepts for which the pedestrian field is very useful. With the pedestrian footprint, quick information can be obtained, since the map shows two colours: orange for pedestrian elements (made up of pedestrian areas and green areas) and black for the other non-pedestrian elements. A significant part of these graphic, descriptive documents about each city's pedestrian elements can be found in the thesis appendix. The "Pedestrian Footprint" is regarded in the research as the basic map, obtaining a quick, clear and visual perception of each city's pedestrian space. This footprint provides morphological information regarding the space distribution, the organisation, the balance, the modulation, the cohesion, the pedestrian concentration, etc. in each of the cities chosen. The pedestrian footprint helps solve many of the questions established as the thesis goals, proving that, in general, the pedestrian elements are not organised in the urban plot, as there is no structure modulating the city as a properly linked set of elements. Small networks linked to each other and heterogeneously scattered all over the city are found. It has been verified that the pedestrian elements with the highest concentration and presence in the cities analysed are the pedestrian axes, the historic quarters and the pedestrian elements found in the new residential areas. Besides these 3 elements mentioned, the research analyses in depth other types that are remarkable due to their persistence and repetition in the "Pedestrian Footprint" of each of the 22 cities, such as the pedestrian squares, the colonnades and the singular pedestrian elements: traditional spaces (exhibition sites, passages, historic bridges), new pedestrian elements (pedestrian footbridges, mechanical crossing elements), pedestrian areas around cultural buildings and other cases such as those consisting of recovering and transforming building and urban constructions, intended for a wide range of purposes and of different types, into new pedestrian areas. This work puts light on the definition, location, timeline, proportion, presence and origin, providing results for each of these concepts. At the same time, quantitative information is obtained by measuring the footprint, getting data and percentages on the size of the city, the pedestrian areas and the green areas, the historic quarters and the pedestrian zones, the linear metres of such historic quarters and pedestrian streets. The footprint also provides ratios and rates that are considered as essential in order to better understand the pedestrian elements of each city. A classification of cities is established for each of the areas described, highlighting the cities of Pamplona, San Sebastián and Burgos, as they provide the most positive pedestrian figures and lead most of the classification tables or rankings. According to the criteria considered, the city with the worst values is Alicante, followed by Almería, Palma de Mallorca and Las Palmas de Gran Canaria. In the final chapter in the thesis, the cities of Burgos, San Sebastián and Pamplona are chosen as representative study cases. The aim is to gain more accurate knowledge regarding the pedestrianisation origin, timeline and processes. Each city comprises a chronological sequence made of stages, each of which is thoroughly developed and usually announced as zoning plans or urban development projects, accompanied by the plans of the pedestrian actions. At the end of each stage, data with the figures of the pedestrianisation projects are provided, including a numerical chart with locations, pedestrian area, redeveloped urban areas, pedestrian length and pedestrianisation degree in the historic quarter, as well as the data cumulated throughout each stage. In the crossed conclusions on the three cities, the trend of gradually pedestrianising the historic quarters (even reaching the 100% of the pedestrian streets as in San Sebastián) is verified. However, it is difficult to confirm whether the purpose is to reach an overall pedestrianisation of the historic quarters, since there are many variables that affect and influence each city's pedestrianisation process. In addition, the spread of the pedestrian culture from the internal areas to the external areas, beyond the historic quarters to the nearby expansion areas, is compared. Regarding the origin of pedestrianisations, the thesis comes to the conclusion that there is no initial or theoretical conception from which each city's pedestrian plot is developed. The pedestrian processes implemented are varied and diverse but no fact can be specified as the main cause. Based on the moment and circumstances, the pedestrianisation processes are due to different initiatives promoted by shopkeepers, by the local administrations or by the zoning officers, with their expert contributions to the plans. These three players promote and drive individual pedestrianisation projects that overlap in the course of time. Finally, new lines of research are put forwards, as they can be taken as an additional study and as a supplement to this research, dealing with aspects as significant as the economic, social and mobility factors, closely linked to the pedestrianisation processes, as proven in the literature consulted.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.

Improving Optical Performance of Concentrator Cells by Means of a Deposited Nanopattern Layer

Multijunction solar cells (MJSC) use anti-reflective coatings (ARC) to minimize Fresnel reflection losses for a family of light incidence angles. These coatings adapt the refractive index of the cell to that of the surrounding medium. Patterns with sizes in the range of the light wavelength can be used to further reduce reflections through diffraction. Transparent nanopatterns with a gradual profile, called moth-eye nanostructures, can adapt the refractive index of the optical interfaces (often with n∼1.5) used to encapsulate concentrator solar cells to that of the air (n air∼1). Here we show the effect of a nanometric moth-eye ARC with a round motif deposited on commercial MJSC that achieves short-circuit current (I SC) gains greater than 2% at normal incidence and even higher in the case of tilted illumination. In this work, MJSC with different moth-eye ARC are characterized under quantum efficiency (QE) as well as under concentrated illumination I-V in order to assess their potential. Simulations based on coupled wave analysis (RCWA) are used to fit the experimental results with successful results.