Efficient PGD-based dynamic calculation of non-linear soil behavior

Non-linear behavior of soils during a seismic event has a predominant role in current site response analysis. Soil response analysis consistently indicates that the stress-strain relationship of soils is nonlinear and shows hysteresis. When focusing in forced response simulations, time integrations based on modal analysis are widely considered, however parametric analysis, non-linear behavior and complex damping functions make difficult the online use of standard discretization strategies, e.g. those based on the use of finite element. In this paper we propose a new harmonic analysis formulation, able to address forced response simulation of soils exhibiting their characteristic nonlinear behavior. The solution can be evaluated in real-time from the offline construction of a parametric solution of the associated linearized problem within the Proper Generalized Decomposition framework.

El Parque Agrario: estructura de preservación de los espacios agrarios en entornos urbanos en un contexto de cambio global

La propuesta del análisis de la figura de Parque Agrario en el ámbito español surge ante la constatación de que un nuevo paradigma está aconteciendo a escala estatal. Diversos focos se encuentran trabajando en paralelo, y de forma participada, en pos de la reformulación de las políticas públicas relacionadas con la agricultura periurbana. Estos focos ven en la figura de Parque Agrario un instrumento territorial que permite mejorar la sostenibilidad y cohesión territorial a través de la defensa de la gobernanza alimentaria local, sin olvidar la necesidad de conservación de los recursos naturales y el patrimonio paisajístico, junto a la prestación de múltiples servicios de los ecosistemas de estos ámbitos a la ciudadanía. Complementariamente, se empieza a vislumbrar el papel que esta figura puede desempeñar como herramienta de desarrollo territorial de los sistemas agrarios periurbanos, clave ante los efectos de carácter local que la globalización ejerce en estos territorios. La figura de Parque Agrario es una estructura que actúa bloqueando la base territorial, favoreciendo el desarrollo de la actividad agraria. Su mayor potencial es el de convertir el factor “proximidad urbana” de una amenaza a una oportunidad de desarrollo local endógeno que permita la continuidad de la agricultura, de los agricultores y del espacio agrario. La peculiaridad del Parque Agrario es que no es una figura al uso, estructurada y reglada por una legislación, sino que se trata de una iniciativa ad hoc, específica para cada caso, orientada a cumplir determinados objetivos de dinamización agraria, protección urbanística y valorización territorial. A pesar de la existencia de diversas definiciones y aportaciones sobre diferentes aspectos de la figura, no existe un análisis complejo de la misma en todas sus dimensiones, ni una tentativa de descripción de un modelo global y unitario del caso español y de sus potenciales resultados. Tampoco se han analizado en profundidad sus “invariantes” que se muestran como los elementos estructurantes del proyecto, capaces desarrollarse de forma diversa, de alcanzar diferentes niveles de complejidad, y de materializarse en función a las posibilidades que permita el marco normativo y legal. Por tanto, se plantea como objetivo principal de la tesis la definición de un modelo conceptual de Parque Agrario español, capaz de ser articulado e institucionalizado mediante un proceso de gobernanza, y que, como condición sine qua non sea duradero en el tiempo. Para poder llegar a describir un modelo colectivo se realiza, en primer lugar, un análisis genealógico que permita analizar sistemáticamente las propuestas desarrolladas en el ámbito español y los casos para establecer la existencia de una continuidad en la idea de Parque Agrario en las propuestas desarrolladas durante los últimos 25 años—sus invariantes—, y analice todos aquellos elementos que han ido enriqueciendo la figura en cada experiencia —sus variantes. Este análisis, además, ofrece como aportaciones el árbol genealógico y los mapas de dispersión de la figura y el primer catálogo de propuestas de Parque Agrario materializadas en proyecto. El resultado de la inducción de los datos obtenidos en el análisis genealógico es el modelo conceptual de Parque Agrario, que se define como una estructura orgánica de planificación-gestión-gobierno del territorio capaz de adaptarse a las necesidades específicas de todo sistema agrario periurbano que requiera la articulación-institucionalización de esta figura en él. Una vez descrito el modelo, se contrasta su fiabilidad mediante su aplicación como metodología de caracterización y evaluación de dos estudios de casos: uno exitoso, el Parque Agrario del Baix Llobregat, y uno frustrado, la propuesta de Parque Agrario de la Vega de Granada. ------------------------------------------------------ ABSTRACT -------------------------------------------------------------------- The proposed analysis of the figure of Agrarian Park in the Spanish sphere arises from the awareness that a new paradigm is happening at the state level. Different focuses are working in parallel, under participated programs, after the reformulation of public policies related to urban agriculture. These areas understand the figure of Agrarian Park as a territorial instrument for improving sustainability and territorial cohesion through the defense of local food governance, considering the need for conservation of natural resources and landscape heritage together with the multiple ecosystem services provided by these areas to the public. Additionally, the role that this figure can play as a tool for territorial development of peri-urban agrarian systems, which are key to the local effects that globalization has on these territories, is staring to be envisioned. The figure of Agrarian Park is a structure that works by blocking the territorial base to encourage the development of agrarian activity. Its greatest potential is to convert the threat of "urban proximity" into an opportunity for an endogenous local development that allows the persistence of agriculture, farmers and the agrarian space. The uniqueness of the Agrarian Park is that it is not a standard figure, structured and regulated by legislation, but rather an ad hoc initiative, specific to each case, designed to meet certain objectives of agrarian revitalization, urban protection and territorial enhance. Despite the existence of several definitions and contributions on different aspects of the figure, there is a lack of a complex analysis of it in all its dimensions, missing any attempt to describe a global and unitary model of the Spanish case and its potential outcomes. Its "invariants” have neither been evaluated in depth, shown as the structural elements of the project able to be developed in different ways, to achieve numerous levels of complexity, and to be materialized according to the possibilities allowed by the regulatory and legal framework. Therefore, the definition of a conceptual model of Spanish Agrarian Park able to be articulated and institutionalized through a process of governance, and durable over time as a sine qua non requisite, it is proposed as the main aim of the thesis. To get to describe a collective model, a genealogical analysis that systematically analyzes the proposals and cases developed in the Spanish field is undertaken to verify the existence of a continuity of the idea of Agrarian Park on the proposals developed during the past 25 years -invariants-, and evaluate all the elements that have enriched this figure in each experience - variants. This analysis also provides as inputs a family tree, maps of dispersion of the figure and the first catalog of Agrarian Park proposals materialized into projects. The result of inducting the data obtained in the genealogical analysis is the Conceptual Model of Agrarian Park, defined as an organic planning-management-government structure of the territory able to adapt to the specific needs of all peri-urban agrarian systems that require the articulation-institutionalization of this figure in it. Having described the model, its reliability is tested by applying it as a methodology for characterization and evaluation of two case studies, one successful, the Baix Llobregat Agrarian Park, and one frustrated, the proposed Agrarian Park de la Vega of Granada.

Global Stability Analysis of Turbulent Transonic Flows on Airfoil geometries

La aparición de inestabilidades en un flujo es un problema importante que puede afectar a algunas aplicaciones aerodinámicas. De hecho existen diferentes tipos de fenómenos no-estacionarios que actualmente son tema de investigación; casos como la separación a altos ángulos de ataque o el buffet transónico son dos ejemplos de cierta relevancia. El análisis de estabilidad global permite identificar la aparición de dichas condiciones inestables, proporcionando información importante sobre la región donde la inestabilidad es dominante y sobre la frecuencia del fenómeno inestable. La metodología empleada es capaz de calcular un flujo base promediado mediante una discretización con volúmenes finitos y posteriormente la solución de un problema de autovalores asociado a la linealización que aparece al perturbar el flujo base. El cálculo numérico se puede dividir en tres pasos: primero se calcula una solución estacionaria para las ecuaciones RANS, luego se extrae la matriz del Jacobiano que representa el problema linealizado y finalmente se deriva y se resuelve el problema de autovalores generalizado mediante el método iterativo de Arnoldi. Como primer caso de validación, la técnica descrita ha sido aplicada a un cilindro circular en condiciones laminares para detectar el principio de las oscilaciones de los vórtices de von Karman, y se han comparado los resultados con experimentos y cálculos anteriores. La parte más importante del estudio se centra en el análisis de flujos compresibles en régimen turbulento. La predicción de la aparición y la progresión de flujo separado a altos ángulos de ataque se han estudiado en el perfil NACA0012 en condiciones tanto subsónicas como supersónicas y en una sección del ala del A310 en condiciones de despegue. Para todas las geometrías analizadas, se ha podido observar que la separación gradual genera la aparición de un modo inestable específico para altos ángulos de ataque siempre mayores que el ángulo asociado al máximo coeficiente de sustentación. Además, se ha estudiado el problema adjunto para obtener información sobre la zona donde una fuerza externa provoca el máximo cambio en el campo fluido. El estudio se ha completado calculando el mapa de sensibilidad estructural y localizando el centro de la inestabilidad. En el presente trabajo de tesis se ha analizado otro importante fenómeno: el buffet transónico. En condiciones transónicas, la interacción entre la onda de choque y la capa límite genera una oscilación de la posición de la onda de choque y, por consiguiente, de las fuerzas aerodinámicas. El conocimiento de las condiciones críticas y su origen puede ayudar a evitar la oscilación causada por estas fuerzas. Las condiciones para las cuales comienza la inestabilidad han sido calculadas y comparadas con trabajos anteriores. Por otra parte, los resultados del correspondiente problema adjunto y el mapa de sensibilidad se han obtenido por primera vez para el buffet, indicando la región del dominio que sera necesario modificar para crear el mayor cambio en las propiedades del campo fluido. Dado el gran consumo de memoria requerido para los casos 3D, se ha realizado un estudio sobre la reducción del domino con la finalidad de reducirlo a la región donde está localizada la inestabilidad. La eficacia de dicha reducción de dominio ha sido evaluada investigando el cambio en la dimensión de la matriz del Jacobiano, no resultando muy eficiente en términos del consumo de memoria. Dado que el buffet es un problema en general tridimensional, el análisis TriGlobal de una geometría 3D podría considerarse el auténtico reto futuro. Como aproximación al problema, un primer estudio se ha realizado empleando una geometría tridimensional extruida del NACA00f2. El cálculo del flujo 3D y, por primera vez en casos tridimensionales compresibles y turbulentos, el análisis de estabilidad TriGlobal, se han llevado a cabo. La comparación de los resultados obtenidos con los resultados del anterior modelo 2D, ha permitido, primero, verificar la exactitud del cálculo 2D realizado anteriormente y también ha proporcionado una estimación del consumo de memoria requerido para el caso 3D. ABSTRACT Flow unsteadiness is an important problem in aerodynamic applications. In fact, there are several types of unsteady phenomena that are still at the cutting edge of research in the field; separation at high angles of attack and transonic buffet are two important examples. Global Stability Analysis can identify the unstable onset conditions, providing important information about the instability location in the domain and the frequency of the unstable phenomenon. The methodology computes a base flow averaged state based on a finite volume discretization and a solution for a generalized eigenvalue problem corresponding to the perturbed linearized equations. The numerical computation is then performed in three steps: first, a steady solution for the RANS equation is computed; second, the Jacobian matrix that represents the linearized problem is obtained; and finally, the generalized eigenvalue problem is derived and solved with an Arnoldi iterative method. As a first validation test, the technique has been applied on a laminar circular cylinder in order to detect the von Karman vortex shedding onset, comparing the results with experiments and with previous calculations. The main part of the study focusses on turbulent and compressible cases. The prediction of the origin and progression of separated flows at high angles of attack has been studied on the NACA0012 airfoil at subsonic and transonic conditions and for the A310 airfoil in take-off configuration. For all the analyzed geometries, it has been found that gradual separation generates the appearance of one specific unstable mode for angles of attack always greater than the ones related to the maximum lift coefficient. In addition, the adjoint problem has been studied to suggest the location of an external force that results in the largest change to the flow field. From the direct and the adjoint analysis the structural sensitivity map has been computed and the core of the instability has been located. The other important phenomenon analyzed in this work is the transonic buffet. In transonic conditions, the interaction between the shock wave and the boundary layer leads to an oscillation of the shock location and, consequently, of the aerodynamic forces. Knowing the critical operational conditions and its origin can be helpful in preventing such fluctuating forces. The instability onset has then been computed and compared with the literature. Moreover, results of the corresponding adjoint problem and a sensitivity map have been provided for the first time for the buffet problem, indicating the region that must be modified to create the biggest change in flow field properties. Because of the large memory consumption required when a 3D case is approached, a domain reduction study has been carried out with the aim of limiting the domain size to the region where the instability is located. The effectiveness of the domain reduction has been evaluated by investigating the change in the Jacobian matrix size, not being very efficient in terms of memory consumption. Since buffet is a three-dimensional problem, TriGlobal stability analysis can be seen as a future challenge. To approximate the problem, a first study has been carried out on an extruded three-dimensional geometry of the NACA0012 airfoil. The 3D flow computation and the TriGlobal stability analysis have been performed for the first time on a compressible and turbulent 3D case. The results have been compared with a 2D model, confirming that the buffet onset evaluated in the 2D case is well detected. Moreover, the computation has given an indication about the memory consumption for a 3D case.

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

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

A technological framework based on automatic messaging for improving adherence of diabetic patients

En todo el mundo se ha observado un crecimiento exponencial en la incidencia de enfermedades crónicas como la hipertensión y enfermedades cardiovasculares y respiratorias, así como la diabetes mellitus, que causa un número de muertes cada vez mayor en todo el mundo (Beaglehole et al., 2008). En concreto, la prevalencia de diabetes mellitus (DM) está aumentando de manera considerable en todas las edades y representa un serio problema de salud mundial. La diabetes fue la responsable directa de 1,5 millones de muertes en 2012 y 89 millones de años de vida ajustados por discapacidad (AVAD) (OMS, 2014). Uno de los principales dilemas que suelen asociarse a la gestión de EC es la adherencia de los pacientes a los tratamientos, que representa un aspecto multifactorial que necesita asistencia en lo relativo a: educación, autogestión, interacción entre los pacientes y cuidadores y compromiso de los pacientes. Medir la adherencia del tratamiento es complicado y, aunque se ha hablado ampliamente de ello, aún no hay soluciones “de oro” (Reviews, 2002). El compromiso de los pacientes, a través de la participación, colaboración, negociación y a veces del compromiso firme, aumentan las oportunidades para una terapia óptima en la que los pacientes se responsabilizan de su parte en la ecuación de adherencia. Comprometer e involucrar a los pacientes diabéticos en las decisiones de su tratamiento, junto con expertos profesionales, puede ayudar a favorecer un enfoque centrado en el paciente hacia la atención a la diabetes (Martin et al., 2005). La motivación y atribución de poder de los pacientes son quizás los dos factores interventores más relevantes que afectan directamente a la autogestión de la atención a la diabetes. Se ha demostrado que estos dos factores desempeñan un papel fundamental en la adherencia a la prescripción, así como en el fomento exitoso de un estilo de vida sana y otros cambios de conducta (Heneghan et al., 2013). Un plan de educación personalizada es indispensable para proporcionarle al paciente las herramientas adecuadas que necesita para la autogestión efectiva de la enfermedad (El-Gayar et al. 2013). La comunicación efectiva es fundamental para proporcionar una atención centrada en el paciente puesto que influye en las conductas y actitudes hacia un problema de salud ((Frampton et al. 2008). En este sentido, la interactividad, la frecuencia, la temporalización y la adaptación de los mensajes de texto pueden promover la adherencia a un régimen de medicación. Como consecuencia, adaptar los mensajes de texto a los pacientes puede resultar ser una manera de hacer que las sugerencias y la información sean más relevantes y efectivas (Nundy et al. 2013). En este contexto, las tecnologías móviles en el ámbito de la salud (mHealth) están desempeñando un papel importante al conectar con pacientes para mejorar la adherencia a medicamentos recetados (Krishna et al., 2009). La adaptación de los mensajes de texto específicos de diabetes sigue siendo un área de oportunidad para mejorar la adherencia a la medicación y ofrecer motivación a adultos con diabetes. Sin embargo, se necesita más investigación para entender totalmente su eficacia. Los consejos de texto personalizados han demostrado causar un impacto positivo en la atribución de poder a los pacientes, su autogestión y su adherencia a la prescripción (Gatwood et al., 2014). mHealth se puede utilizar para ofrecer programas de asistencia de autogestión a los pacientes con diabetes y, al mismo tiempo, superar las dificultades técnicas y financieras que supone el tratamiento de la diabetes (Free at al., 2013). El objetivo principal de este trabajo de investigación es demostrar que un marco tecnológico basado en las teorías de cambios de conducta, aplicado al campo de la mHealth, permite una mejora de la adherencia al tratamiento en pacientes diabéticos. Como método de definición de una solución tecnológica, se han adoptado un conjunto de diferentes técnicas de conducta validadas denominado marco de compromiso de retroacción conductual (EBF, por sus siglas en inglés) para formular los mensajes, guiar el contenido y evaluar los resultados. Los estudios incorporan elementos del modelo transteórico (TTM, por sus siglas en inglés), la teoría de la fijación de objetivos (GST, por sus siglas en inglés) y los principios de comunicación sanitaria persuasiva y eficaz. Como concepto general, el modelo TTM ayuda a los pacientes a progresar a su próxima fase de conducta a través de mensajes de texto motivados específicos y permite que el médico identifique la fase actual y adapte sus estrategias individualmente. Además, se adoptan las directrices del TTM para fijar objetivos personalizados a un nivel apropiado a la fase de cambio del paciente. La GST encierra normas que van a ponerse en práctica para promover la intervención educativa y objetivos de pérdida de peso. Finalmente, los principios de comunicación sanitaria persuasiva y eficaz aplicados a la aparición de los mensajes se han puesto en marcha para aumentar la efectividad. El EBF tiene como objetivo ayudar a los pacientes a mejorar su adherencia a la prescripción y encaminarlos a una mejora general en la autogestión de la diabetes mediante mensajes de texto personalizados denominados mensajes de retroacción automáticos (AFM, por sus siglas en inglés). Después de una primera revisión del perfil, consistente en identificar características significativas del paciente basadas en las necesidades de tratamiento, actitudes y conductas de atención sanitaria, el sistema elige los AFM personalizados, los aprueba el médico y al final se transfieren a la interfaz del paciente. Durante el tratamiento, el usuario recopila los datos en dispositivos de monitorización de pacientes (PMD, por sus siglas en inglés) de una serie de dispositivos médicos y registros manuales. Los registros consisten en la toma de medicación, dieta y actividad física y tareas de aprendizaje y control de la medida del metabolismo. El compromiso general del paciente se comprueba al estimar el uso del sistema y la adherencia del tratamiento y el estado de los objetivos del paciente a corto y largo plazo. El módulo de análisis conductual, que consiste en una serie de reglas y ecuaciones, calcula la conducta del paciente. Tras lograr el análisis conductual, el módulo de gestión de AFM actualiza la lista de AFM y la configuración de los envíos. Las actualizaciones incluyen el número, el tipo y la frecuencia de mensajes. Los AFM los revisa periódicamente el médico que también participa en el perfeccionamiento del tratamiento, adaptado a la fase transteórica actual. Los AFM se segmentan en distintas categorías y niveles y los pacientes pueden ajustar la entrega del mensaje de acuerdo con sus necesidades personales. El EBF se ha puesto en marcha integrado dentro del sistema METABO, diseñado para facilitar al paciente diabético que controle sus condiciones relevantes de una manera menos intrusiva. El dispositivo del paciente se vincula en una plataforma móvil, mientras que una interfaz de panel médico permite que los profesionales controlen la evolución del tratamiento. Herramientas específicas posibilitan que los profesionales comprueben la adherencia del paciente y actualicen la gestión de envíos de AFM. El EBF fue probado en un proyecto piloto controlado de manera aleatoria. El principal objetivo era examinar la viabilidad y aceptación del sistema. Los objetivos secundarios eran también la evaluación de la eficacia del sistema en lo referente a la mejora de la adherencia, el control glucémico y la calidad de vida. Se reclutaron participantes de cuatro centros clínicos distintos en Europa. La evaluación del punto de referencia incluía datos demográficos, estado de la diabetes, información del perfil, conocimiento de la diabetes en general, uso de las plataformas TIC, opinión y experiencia con dispositivos electrónicos y adopción de buenas prácticas con la diabetes. La aceptación y eficacia de los criterios de evaluación se aplicaron para valorar el funcionamiento del marco tecnológico. El principal objetivo era la valoración de la eficacia del sistema en lo referente a la mejora de la adherencia. En las pruebas participaron 54 pacientes. 26 fueron asignados al grupo de intervención y equipados con tecnología móvil donde estaba instalado el EBF: 14 pacientes tenían T1DM y 12 tenían T2DM. El grupo de control estaba compuesto por 25 pa cientes que fueron tratados con atención estándar, sin el empleo del EBF. La intervención profesional tanto de los grupos de control como de intervención corrió a cargo de 24 cuidadores, entre los que incluían diabetólogos, nutricionistas y enfermeras. Para evaluar la aceptabilidad del sistema y analizar la satisfacción de los usuarios, a través de LimeSurvey, se creó una encuesta multilingüe tanto para los pacientes como para los profesionales. Los resultados también se recopilaron de los archivos de registro generados en los PMD, el panel médico profesional y las entradas de la base de datos. Los mensajes enviados hacia y desde el EBF y los archivos de registro del sistema y los servicios de comunicación se grabaron durante las cinco semanas del estudio. Se entregaron un total de 2795 mensajes, lo que supuso una media de 107,50 mensajes por paciente. Como se muestra, los mensajes disminuyen con el tiempo, indicando una mejora global de la adherencia al plan de tratamiento. Como se esperaba, los pacientes con T1DM recibieron más consejos a corto plazo, en relación a su estado. Del mismo modo, al ser el centro de T2DM en cambios de estilo de vida sostenible a largo plazo, los pacientes con T2DM recibieron más consejos de recomendación, en cuanto a dietas y actividad física. También se ha llevado a cabo una comparación de la adherencia e índices de uso para pacientes con T1DM y T2DM, entre la primera y la segunda mitad de la prueba. Se han observado resultados favorables para el uso. En lo relativo a la adherencia, los resultados denotaron una mejora general en cada dimensión del plan de tratamiento, como la nutrición y las mediciones de inserción de glucosa en la sangre. Se han llevado a cabo más estudios acerca del cambio a nivel educativo antes y después de la prueba, medidos tanto para grupos de control como de intervención. Los resultados indicaron que el grupo de intervención había mejorado su nivel de conocimientos mientras que el grupo de control mostró una leve disminución. El análisis de correlación entre el nivel de adherencia y las AFM ha mostrado una mejora en la adherencia de uso para los pacientes que recibieron los mensajes de tipo alertas, y unos resultados no significativos aunque positivos relacionados con la adherencia tanto al tratamiento que al uso correlacionado con los recordatorios. Por otra parte, los AFM parecían ayudar a los pacientes que no tomaban suficientemente en serio su tratamiento en el principio y que sí estaban dispuestos a responder a los mensajes recibidos. Aun así, los pacientes que recibieron demasiadas advertencias, comenzaron a considerar el envío de mensajes un poco estresante. El trabajo de investigación llevado a cabo al desarrollar este proyecto ofrece respuestas a las cuatro hipótesis de investigación que fueron la motivación para el trabajo. • Hipótesis 1 : es posible definir una serie de criterios para medir la adherencia en pacientes diabéticos. • Hipótesis 2: es posible diseñar un marco tecnológico basado en los criterios y teorías de cambio de conducta mencionados con anterioridad para hacer que los pacientes diabéticos se comprometan a controlar su enfermedad y adherirse a planes de atención. • Hipótesis 3: es posible poner en marcha el marco tecnológico en el sector de la salud móvil. • Hipótesis 4: es posible utilizar el marco tecnológico como solución de salud móvil en un contexto real y tener efectos positivos en lo referente a indicadores de control de diabetes. La verificación de cada hipótesis permite ofrecer respuesta a la hipótesis principal: La hipótesis principal es: es posible mejorar la adherencia diabética a través de un marco tecnológico mHealth basado en teorías de cambio de conducta. El trabajo llevado a cabo para responder estas preguntas se explica en este trabajo de investigación. El marco fue desarrollado y puesto en práctica en el Proyecto METABO. METABO es un Proyecto I+D, cofinanciado por la Comisión Europea (METABO 2008) que integra infraestructura móvil para ayudar al control, gestión y tratamiento de los pacientes con diabetes mellitus de tipo 1 (T1DM) y los que padecen diabetes mellitus de tipo 2 (T2DM). ABSTRACT Worldwide there is an exponential growth in the incidence of Chronic Diseases (CDs), such as: hypertension, cardiovascular and respiratory diseases, as well as diabetes mellitus, leading to rising numbers of deaths worldwide (Beaglehole et al. 2008). In particular, the prevalence of diabetes mellitus (DM) is largely increasing among all ages and constitutes a major worldwide health problem. Diabetes was directly responsible for 1,5 million deaths in 2012 and 89 million Disability-adjusted life year (DALYs) (WHO 2014). One of the key dilemmas often associated to CD management is the patients’ adherence to treatments, representing a multi-factorial aspect that requires support in terms of: education, self-management, interaction between patients and caregivers, and patients’ engagement. Measuring adherence is complex and, even if widely discussed, there are still no “gold” standards ((Giardini et al. 2015), (Costa et al. 2015). Patient’s engagement, through participation, collaboration, negotiation, and sometimes compromise, enhance opportunities for optimal therapy in which patients take responsibility for their part of the adherence equation. Engaging and involving diabetic patients in treatment decisions, along with professional expertise, can help foster a patient-centered approach to diabetes care (Martin et al. 2005). Patients’ motivation and empowerment are perhaps the two most relevant intervening factors that directly affect self-management of diabetes care. It has been demonstrated that these two factors play an essential role in prescription adherence, as well as for the successful encouragement of a healthy life-style and other behavioural changes (Heneghan et al. 2013). A personalised education plan is indispensable in order to provide the patient with the appropriate tools needed for the effective self-management of the disease (El-Gayar et al. 2013). Effective communication is at the core of providing patient-centred care since it influences behaviours and attitudes towards a health problem (Frampton et al. 2008). In this regard, interactivity, frequency, timing, and tailoring of text messages may promote adherence to a medication regimen. As a consequence, tailoring text messages to patients can constitute a way of making suggestions and information more relevant and effective (Nundy et al. 2013). In this context, mobile health technologies (mHealth) are playing significant roles in improving adherence to prescribed medications (Krishna et al. 2009). The tailoring of diabetes-specific text messages remains an area of opportunity to improve medication adherence and provide motivation to adults with diabetes but further research is needed to fully understand their effectiveness. Personalized text advices have proven to produce a positive impact on patients’ empowerment, self-management, and adherence to prescriptions (Gatwood et al. 2014). mHealth can be used for offering self-management support programs to diabetes patients and at the same time surmounting the technical and financial difficulties involved in diabetes treatment (Free et al. 2013). The main objective of this research work is to demonstrate that a technological framework, based on behavioural change theories, applied to mHealth domain, allows improving adherence treatment in diabetic patients. The framework, named Engagement Behavioural Feedback Framework (EBF), is built on top of validated behavioural techniques to frame messages, guide the definition of contents and assess outcomes: elements from the Transtheoretical Model (TTM), the Goal-Setting Theory (GST), Effective Health Communication (EHC) guidelines and Principles of Persuasive Technology (PPT) were incorporated. The TTM helps patients to progress to a next behavioural stage, through specific motivated text messages, and allow clinician’s identifying the current stage and tailor its strategies individually. Moreover, TTM guidelines are adopted to set customised goals at a level appropriate to the patient’s stage of change. The GST was used to build rules to be applied for enhancing educational intervention and weight loss objectives. Finally, the EHC guidelines and the PPT were applied to increase the effectiveness of messages. The EBF aims to support patients on improving their prescription adherence and persuade them towards a general improvement in diabetes self-management, by means of personalised text messages, named Automatic Feedback Messages (AFM). After a first profile screening, consisting in identifying meaningful patient characteristics based on treatment needs, attitudes and health care behaviours, customised AFMs are selected by the system, approved by the professional, and finally transferred into the patient interface. During the treatment, the user collects the data into a Patient Monitoring Device (PMD) from a set of medical devices and from manual inputs. Inputs consist in medication intake, diet and physical activity, metabolic measurement monitoring and learning tasks. Patient general engagement is checked by estimating the usage of the system and the adherence of treatment and patient goals status in the short and the long term period. The Behavioural Analysis Module, consisting in a set of rules and equations, calculates the patient’s behaviour. After behavioural analysis is accomplished, the AFM library and the dispatch setting are updated by the AFM Manager module. Updates include the number, the type and the frequency of messages. The AFMs are periodically supervised by the professional who also participates to the refinement of the treatment, adapted to the current transtheoretical stage. The AFMs are segmented in different categories and levels and patients can adjust message delivery in accordance with their personal needs. The EBF was integrated to the METABO system, designed to facilitate diabetic patients in managing their disease in a less intrusive approach. Patient device corresponds in a mobile platform, while a medical panel interface allows professionals to monitoring the treatment evolution. Specific tools allow professional to check patient adherence and to update the AFMs dispatch management. The EBF was tested in a randomised controlled pilot. The main objective was to examine the feasibility and acceptance of the system. Secondary objectives were also the assessment of the effectiveness of system in terms of adherence improvement, glycaemic control, and quality of life. Participants were recruited from four different clinical centres in Europe. The baseline assessment included demographics, diabetes status, profile information, knowledge about diabetes in general, usage of ICT platforms, opinion and experience about electronic devices and adoption of good practices with diabetes. Acceptance and the effectiveness evaluation criteria were applied to evaluate the performance of the technological framework. The main objective was the assessment of the effectiveness of system in terms of adherence improvement. Fifty-four patients participated on the trials. Twenty-six patients were assigned in the intervention group and equipped with mobile where the EBF was installed: 14 patients were T1DM and 12 were T2DM. The control group was composed of 25 patients that were treated through a standard care, without the usage of the EBF. Professional’s intervention for both intervention and control groups was carried out by 24 care providers, including endocrinologists, nutritionists, and nurses. In order to evaluate the system acceptability and analyse the users’ satisfaction, an online multi-language survey, using LimeSurvey, was produced for both patients and professionals. Results were also collected from the log-files generated in the PMDs, the professional medical panel and the entries of the data base. The messages sent to and from the EBF and the log-files of the system and communication services were recorded over 5 weeks of the study. A total of 2795 messages were submitted, representing an average of 107,50 messages per patient. As demonstrated, messages decrease over time indicating an overall improvement of the care plan’s adherence. As expected, T1DM patients were more loaded with short-term advices, in accordance with their condition. Similarly, being the focus of T2DM on long-term sustainable lifestyle changes, T2DM received more reminders advices, as for diet and physical activity. Favourable outcomes were observed for treatment and usage adherences of the intervention group: for both the adherence indices, results denoted a general improvement on each care plan’s dimension, such as on nutrition and blood glucose input measurements. Further studies were conducted on the change on educational level before and after the trial, measured for both control and intervention groups. The outcomes indicated the intervention group has improved its level of knowledge, while the control group denoted a low decrease. The correlation analysis between the level of adherences and the AFMs showed an improvement in usage adherence for patients who received warnings message, while non-significantly yet even positive indicators related to both treatment and usage adherence correlated with the Reminders. Moreover, the AFMs seemed to help those patients who did not take their treatment seriously enough in the beginning and who were willing to respond to the messages they received. Even though, patients who received too many Warnings, started to consider the message dispatch to be a bit stressful. The research work carried out in developing this research work provides responses to the four research hypothesis that were the motivation for the work: •Hypothesis 1: It is possible to define a set of criteria to measure adherence in diabetic patients. •Hypothesis 2: It is possible to design a technological framework, based on the aforementioned criteria and behavioural change theories, to engage diabetic patients in managing their disease and adhere to care plans. •Hypothesis 3: It is possible to implement the technological framework in the mobile health domain. •Hypothesis 4: It is possible to use the technological framework as a mobile health solution in a real context and have positive effects in terms of diabetes management indicators. The verification of each hypothesis allowed us to provide a response to the main hypothesis: The Main Hypothesis is: It is possible to improve diabetic adherence through a mHealth technological framework based on behavioural change theories. The work carried out to answer these questions is explained in this research work. The framework was developed and applied in the METABO project. METABO is an R&D project, co-funded by the European Commission (METABO 2008) that integrates mobile infrastructure for supporting the monitoring, management, and treatment of type 1 diabetes mellitus (T1DM) and type 2 diabetes mellitus (T2DM) patients.

Real-Time Dynamic PGD Calculation of Non-Linear Soil Behavior

El estudio sísmico en los últimos 50 años y el análisis del comportamiento dinámico del suelo revelan que el comportamiento del suelo es altamente no lineal e histéretico incluso para pequeñas deformaciones. El comportamiento no lineal del suelo durante un evento sísmico tiene un papel predominante en el análisis de la respuesta de sitio. Los análisis unidimensionales de la respuesta sísmica del suelo son a menudo realizados utilizando procedimientos lineales equivalentes, que requieren generalmente pocos parámetros conocidos. Los análisis de respuesta de sitio no lineal tienen el potencial para simular con mayor precisión el comportamiento del suelo, pero su aplicación en la práctica se ha visto limitada debido a la selección de parámetros poco documentadas y poco claras, así como una inadecuada documentación de los beneficios del modelado no lineal en relación al modelado lineal equivalente. En el análisis del suelo, el comportamiento del suelo es aproximado como un sólido Kelvin-Voigt con un módulo de corte elástico y amortiguamiento viscoso. En el análisis lineal y no lineal del suelo se están considerando geometrías y modelos reológicos más complejos. El primero está siendo dirigido por considerar parametrizaciones más ricas del comportamiento linealizado y el segundo mediante el uso de multi-modo de los elementos de resorte-amortiguador con un eventual amortiguador fraccional. El uso del cálculo fraccional está motivado en gran parte por el hecho de que se requieren menos parámetros para lograr la aproximación exacta a los datos experimentales. Basándose en el modelo de Kelvin-Voigt, la viscoelasticidad es revisada desde su formulación más estándar a algunas descripciones más avanzada que implica la amortiguación dependiente de la frecuencia (o viscosidad), analizando los efectos de considerar derivados fraccionarios para representar esas contribuciones viscosas. Vamos a demostrar que tal elección se traduce en modelos más ricos que pueden adaptarse a diferentes limitaciones relacionadas con la potencia disipada, amplitud de la respuesta y el ángulo de fase. Por otra parte, el uso de derivados fraccionarios permite acomodar en paralelo, dentro de un análogo de Kelvin-Voigt generalizado, muchos amortiguadores que contribuyen a aumentar la flexibilidad del modelado para la descripción de los resultados experimentales. Obviamente estos modelos ricos implican muchos parámetros, los asociados con el comportamiento y los relacionados con los derivados fraccionarios. El análisis paramétrico de estos modelos requiere técnicas numéricas eficientemente capaces de simular comportamientos complejos. El método de la Descomposición Propia Generalizada (PGD) es el candidato perfecto para la construcción de este tipo de soluciones paramétricas. Podemos calcular off-line la solución paramétrica para el depósito de suelo, para todos los parámetros del modelo, tan pronto como tales soluciones paramétricas están disponibles, el problema puede ser resuelto en tiempo real, porque no se necesita ningún nuevo cálculo, el solucionador sólo necesita particularizar on-line la solución paramétrica calculada off-line, que aliviará significativamente el procedimiento de solución. En el marco de la PGD, parámetros de los materiales y los diferentes poderes de derivación podrían introducirse como extra-coordenadas en el procedimiento de solución. El cálculo fraccional y el nuevo método de reducción modelo llamado Descomposición Propia Generalizada han sido aplicado en esta tesis tanto al análisis lineal como al análisis no lineal de la respuesta del suelo utilizando un método lineal equivalente. ABSTRACT Studies of earthquakes over the last 50 years and the examination of dynamic soil behavior reveal that soil behavior is highly nonlinear and hysteretic even at small strains. Nonlinear behavior of soils during a seismic event has a predominant role in current site response analysis. One-dimensional seismic ground response analysis are often performed using equivalent-linear procedures, which require few, generally well-known parameters. Nonlinear analyses have the potential to more accurately simulate soil behavior, but their implementation in practice has been limited because of poorly documented and unclear parameter selection, as well as inadequate documentation of the benefits of nonlinear modeling relative to equivalent linear modeling. In soil analysis, soil behaviour is approximated as a Kelvin-Voigt solid with a elastic shear modulus and viscous damping. In linear and nonlinear analysis more complex geometries and more complex rheological models are being considered. The first is being addressed by considering richer parametrizations of the linearized behavior and the second by using multi-mode spring-dashpot elements with eventual fractional damping. The use of fractional calculus is motivated in large part by the fact that fewer parameters are required to achieve accurate approximation of experimental data. Based in Kelvin-Voigt model the viscoelastodynamics is revisited from its most standard formulation to some more advanced description involving frequency-dependent damping (or viscosity), analyzing the effects of considering fractional derivatives for representing such viscous contributions. We will prove that such a choice results in richer models that can accommodate different constraints related to the dissipated power, response amplitude and phase angle. Moreover, the use of fractional derivatives allows to accommodate in parallel, within a generalized Kelvin-Voigt analog, many dashpots that contribute to increase the modeling flexibility for describing experimental findings. Obviously these rich models involve many parameters, the ones associated with the behavior and the ones related to the fractional derivatives. The parametric analysis of all these models require efficient numerical techniques able to simulate complex behaviors. The Proper Generalized Decomposition (PGD) is the perfect candidate for producing such kind of parametric solutions. We can compute off-line the parametric solution for the soil deposit, for all parameter of the model, as soon as such parametric solutions are available, the problem can be solved in real time because no new calculation is needed, the solver only needs particularize on-line the parametric solution calculated off-line, which will alleviate significantly the solution procedure. Within the PGD framework material parameters and the different derivation powers could be introduced as extra-coordinates in the solution procedure. Fractional calculus and the new model reduction method called Proper Generalized Decomposition has been applied in this thesis to the linear analysis and nonlinear soil response analysis using a equivalent linear method.

Global instability analysis and control of three-dimensional long open cavity flow

The three-dimensional wall-bounded open cavity may be considered as a simplified geometry found in industrial applications such as leading gear or slotted flats on the airplane. Understanding the three-dimensional complex flow structure that surrounds this particular geometry is therefore of major industrial interest. At the light of the remarkable former investigations in this kind of flows, enough evidences suggest that the lateral walls have a great influence on the flow features and hence on their instability modes. Nevertheless, even though there is a large body of literature on cavity flows, most of them are based on the assumption that the flow is two-dimensional and spanwise-periodic. The flow over realistic open cavity should be considered. This thesis presents an investigation of three-dimensional wall-bounded open cavity with geometric ratio 6:2:1. To this aim, three-dimensional Direct Numerical Simulation (DNS) and global linear instability have been performed. Linear instability analysis reveals that the onset of the first instability in this open cavity is around Recr 1080. The three-dimensional shear layer mode with a complex structure is shown to be the most unstable mode. I t is noteworthy that the flow pattern of this high-frequency shear layer mode is similar to the observed unstable oscillations in supercritical unstable case. DNS of the cavity flow carried out at different Reynolds number from steady state until a nonlinear saturated state is obtained. The comparison of time histories of kinetic energy presents a clearly dominant energetic mode which shifts between low-frequency and highfrequency oscillation. A complete flow patterns from subcritical cases to supercritical case has been put in evidence. The flow structure at the supercritical case Re=1100 resembles typical wake-shedding instability oscillations with a lateral motion existed in the subcritical cases. Also, This flow pattern is similar to the observations in experiments. In order to validate the linear instability analysis results, the topology of the composite flow fields reconstructed by linear superposition of a three-dimensional base flow and its leading three-dimensional global eigenmodes has been studied. The instantaneous wall streamlines of those composited flows display distinguish influence region of each eigenmode. Attention has been focused on the leading high-frequency shear layer mode; the composite flow fields have been fully recognized with respect to the downstream wave shedding. The three-dimensional shear layer mode is shown to give rise to a typical wake-shedding instability with a lateral motions occurring downstream which is in good agreement with the experiment results. Moreover, the spanwise-periodic, open cavity with the same length to depth ratio has been also studied. The most unstable linear mode is different from the real three-dimensional cavity flow, because of the existence of the side walls. Structure sensitivity of the unstable global mode is analyzed in the flow control context. The adjoint-based sensitivity analysis has been employed to localized the receptivity region, where the flow is more sensible to momentum forcing and mass injection. Because of the non-normality of the linearized Navier-Stokes equations, the direct and adjoint field has a large spatial separation. The strongest sensitivity region is locate in the upstream lip of the three-dimensional cavity. This numerical finding is in agreement with experimental observations. Finally, a prototype of passive flow control strategy is applied.

Contribución del tablero y de la subestructura frente al pandeo global de pilas esbeltas de hormigón armado : determinación simplificada de una "coacción equivalente"

Las pilas de los puentes son elementos habitualmente verticales que, generalmente, se encuentran sometidos a un estado de flexión compuesta. Su altura significativa en muchas ocasiones y la gran resistencia de los materiales constituyentes de estos elementos – hormigón y acero – hace que se encuentren pilas de cierta esbeltez en la que los problemas de inestabilidad asociados al cálculo en segundo orden debido a la no linealidad geométrica deben ser considerados. Además, la mayoría de las pilas de nuestros puentes y viaductos están hechas de hormigón armado por lo que se debe considerar la fisuración del hormigón en las zonas en que esté traccionado. Es decir, el estudio del pandeo de pilas esbeltas de puentes requiere también la consideración de un cálculo en segundo orden mecánico, y no solo geométrico. Por otra parte, una pila de un viaducto no es un elemento que pueda considerarse como aislado; al contrario, su conexión con el tablero hace que aparezca una interacción entre la propia pila y aquél que, en cierta medida, supone una cierta coacción al movimiento de la propia cabeza de pila. Esto hace que el estudio de la inestabilidad de una pila esbelta de un puente no puede ser resuelto con la “teoría del pandeo de la pieza aislada”. Se plantea, entonces, la cuestión de intentar definir un procedimiento que permita abordar el problema complicado del pandeo de pilas esbeltas de puentes pero empleando herramientas de cálculo no tan complejas como las que resuelven “el pandeo global de una estructura multibarra, teniendo en cuenta todas las no linealidades, incluidas las de las coacciones”. Es decir, se trata de encontrar un procedimiento, que resulta ser iterativo, que resuelva el problema planteado de forma aproximada, pero suficientemente ajustada al resultado real, pero empleando programas “convencionales” de cálculo que sean capaces de : - por una parte, en la estructura completa: o calcular en régimen elástico lineal una estructura plana o espacial multibarra compleja; - por otra, en un modelo de una sola barra aislada: o considerar las no linealidades geométricas y mecánicas a nivel tensodeformacional, o considerar la no linealidad producida por la fisuración del hormigón, o considerar una coacción “elástica” en el extremo de la pieza. El objeto de este trabajo es precisamente la definición de ese procedimiento iterativo aproximado, la justificación de su validez, mediante su aplicación a diversos casos paramétricos, y la presentación de sus condicionantes y limitaciones. Además, para conseguir estos objetivos se han elaborado unos ábacos de nueva creación que permiten estimar la reducción de rigidez que supone la fisuración del hormigón en secciones huecas monocajón de hormigón armado. También se han creado unos novedosos diagramas de interacción axil-flector válidos para este tipo de secciones en flexión biaxial. Por último, hay que reseñar que otro de los objetivos de este trabajo – que, además, le da título - era cuantificar el valor de la coacción que existe en la cabeza de una pila debido a que el tablero transmite las cargas de una pila al resto de los integrantes de la subestructura y ésta, por tanto, colabora a reducir los movimientos de la cabeza de pila en cuestión. Es decir, la cabeza de una pila no está exenta lo cual mejora su comportamiento frente al pandeo. El régimen de trabajo de esta coacción es claramente no lineal, ya que la rigidez de las pilas depende de su grado de fisuración. Además, también influye cómo las afecta la no linealidad geométrica que, para la misma carga, aumenta la flexión de segundo orden de cada pila. En este documento se define cuánto vale esta coacción, cómo hay que calcularla y se comprueba su ajuste a los resultados obtenidos en el l modelo no lineal completo. The piers of the bridges are vertical elements where axial loads and bending moments are to be considered. They are often high and also the strength of the materials they are made of (concrete and steel) is also high. This means that slender piers are very common and, so, the instabilities produced by the second order effects due to the geometrical non linear effects are to be considered. In addition to this, the piers are usually made of reinforced concrete and, so, the effects of the cracking of the concrete should also be evaluated. That is, the analysis of the instabilities of te piers of a bridge should consider both the mechanical and the geometrical non linearities. Additionally, the pier of a bridge is not a single element, but just the opposite; the connection of the pier to the deck of the bridge means that the movements of the top of the pier are reduced compared to the situation of having a free end at the top of the pier. The connection between the pier and the deck is the reason why the instability of the pier cannot be analysed using “the buckling of a compressed single element method”. So, the question of defining an approximate method for analysing the buckling of the slender piers of a bridge but using a software less complex than what it is needed for analysing the “ global buckling of a multibeam structure considering all t”, is arisen. Then, the goal should be trying to find a procedure for analysing the said complex problem of the buckling of the slender piers of a bridge using a simplified method. This method could be an iterative (step by step) procedure, being accurate enough, using “normal” software having the following capabilities: - Related to the calculation of the global structure o Ability for calculating a multibesam strucutre using elastic analysis. - Related to the calculation of a single beam strcuture:: o Ability for taking into account the geometrical and mechanical () non linearities o Ability for taking into account the cracking of the concrete. o Ability for using partial stiff constraints (elastic springs) at the end of the elements One of the objectives of this document is just defining this simplified methodology, justifying the accuracy of the proposed procedure by using it on some different bridges and presenting the exclusions and limitations of the propose method. In addition to this, some new charts have been created for calculating the reduction of the stiffness of hollow cross sections made of reinforced concrete. Also, new charts for calculating the reinforcing of hollow cross sections under biaxial bending moments are also included in the document. Finally, it is to be said that another aim of the document – as it is stated on the title on the document – is defining the value of the constraint on the top of the pier because of the connection of the pier to the deck .. and to the other piers. That is, the top of the pier is not a free end of a beam and so the buckling resistance of the pier is significantly improved. This constraint is a non-elastic constraint because the stiffness of each pier depends on the level of cracking. Additionally, the geometrical non linearity is to be considered as there is an amplification of the bending moments due to the increasing of the movements of the top of the pier. This document is defining how this constraints is to be calculated; also the accuracy of the calculations is evaluated comparing the final results with the results of the complete non linear calculations

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

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

Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

Diseño para fabricación digital: definición unívoca entre forma y fabricación en arquitectura

La presente investigación se inicia planteando el objetivo de identificar los parámetros geométricos que son exclusivos del proceso de generación de la Forma y relacionarlos con los invariantes relacionados con la Fabricación digital aplicada a la Arquitectura. Con ello se pretende recuperar la geometría como herramienta principal del proceso de Proyecto ampliando su ámbito de actuación al encontrar una relación con los procesos de fabricación digital. El primer capítulo describe los antecedentes y contexto histórico centrándose especialmente en la influencia de la capacidad de definir geometrías complejas digitalmente mediante la aplicación de algoritmos. En los primeros ejemplos la aproximación del Arquitecto a proyectos con geometrías complejas no euclídeas aún se emplea sin precisión en la comunicación de la geometría ideada para su puesta en obra. Las técnicas constructivas obligan a asumir una tolerancia de desviación entre proyecto y obra y la previsión del comportamiento de esa geometría no permite asegurar su comportamiento final. No será hasta la introducción de herramientas CAD en el proceso de ideación arquitectónica cuando el Arquitecto se capacite para generar geometrías no representables de forma analógica. Sin embargo, la imposibilidad de trasladar la geometría proyectada a la praxis constructiva impedirá la plasmación de un proceso completo, salvo en las contadas ocasiones que se recogen en este texto. “El análisis cronológico de las referencias establece como aspecto esencial para la construcción de geometrías complejas la capacidad primero para definir y comunicar de forma precisa e inequívoca la geometría y después la capacidad de analizar el desempeño prestacional de dicha propuesta geométrica”. La presente investigación se inicia planteando el objetivo de identificar los parámetros geométricos que son exclusivos del proceso de generación de la Forma y relacionarlos con los invariantes relacionados con la Fabricación digital aplicada a la Arquitectura. Con ello se pretende recuperar la geometría como herramienta principal del proceso de Proyecto ampliando su ámbito de actuación al encontrar una relación con los procesos de fabricación digital. El primer capítulo describe los antecedentes y contexto histórico centrándose especialmente en la influencia de la capacidad de definir geometrías complejas digitalmente mediante la aplicación de algoritmos. En los primeros ejemplos la aproximación del Arquitecto a proyectos con geometrías complejas no euclídeas aún se emplea sin precisión en la comunicación de la geometría ideada para su puesta en obra. Las técnicas constructivas obligan a asumir una tolerancia de desviación entre proyecto y obra y la previsión del comportamiento de esa geometría no permite asegurar su comportamiento final. No será hasta la introducción de herramientas CAD en el proceso de ideación arquitectónica cuando el Arquitecto se capacite para generar geometrías no representables de forma analógica. Sin embargo, la imposibilidad de trasladar la geometría proyectada a la praxis constructiva impedirá la plasmación de un proceso completo, salvo en las contadas ocasiones que se recogen en este texto. “El análisis cronológico de las referencias establece como aspecto esencial para la construcción de geometrías complejas la capacidad primero para definir y comunicar de forma precisa e inequívoca la geometría y después la capacidad de analizar el desempeño prestacional de dicha propuesta geométrica”. Establecida la primera conclusión, el capítulo de contexto histórico continúa enfocándose sobre la aplicación de las técnicas digitales en el Proceso de proyecto primero, y en la puesta en obra después. Los casos de estudio identifican claramente como un punto de inflexión para la generación de formas complejas mediante un software CAD el Museo Guggenheim de Bilbao en 1992. El motivo esencial para elegir este proyecto como el primer proyecto digital es el uso de la herramienta de definición digital de la geometría para su reproducción inequívoca en obra. “La revolución digital ha aportado al Arquitecto la posibilidad de abandonar las tipologías arquitectónicas basados en restricciones geométricas-constructivas. La aplicación de técnicas de fabricación digital ha permitido la capacidad de diseñar con independencia del sistema constructivo y libertad formal. En este nuevo contexto las prestaciones suponen los nuevos límites conceptuales, ya que el acceso y disposición de la información del comportamiento de las alternativas que cada geometría conlleva demanda del Arquitecto la jerarquización de los objetivos y la formulación en un conjunto coherente de parámetros”. Los proyectos que emplean herramientas digitales para la resolución de las distintas etapas del proceso proyectual se verán incrementados de forma exponencial desde 1992 hasta nuestros días. A pesar del importante auge de las técnicas de diseño asistido por ordenador el principal desafío sigue siendo la vinculación de las geometrías y materiales propuestos con las capacidades de las técnicas de manufactura y puesta en obra. El proceso de diseño para fabricación en un entorno digital es una tecnología madura en otras industrias como la aeroespacial o la automovilística, incluso la de productos de consumo y decoración, sin embargo en el sector de Construcción es un sistema inmaduro e inconexo. Las particularidades de la industria de la construcción aún no han sido abordadas en su totalidad y las propuestas de investigación realizadas en este ámbito se han centrado hasta 2015 en partes del proceso y no en el proceso total. “El principal obstáculo para la estandarización e implantación globalizada de un proceso digital desde el origen de la forma hasta la construcción es la inexistencia de un protocolo integrado que integre las limitaciones de fabricación, económicas y de puesta en obra junto a la evaluación de desempeño prestacional durante la fases iniciales de proyecto”. En el capítulo número 3 se estudian los distintos procesos de generación de la forma. Se propone una definición específica para el ámbito de la investigación de “forma” en el entendemos que se incluye la envolvente exterior y el conjunto organizativo de espacios interiores conectados. Por lo tanto no es excluyente del interior. El objetivo de este estudio es analizar y clasificar los procesos para la generación digital de formas en los distintos proyectos seleccionados como emblemáticos de cada tipología. Se concluye que la aproximación a este proceso es muy variada y compleja, con aplicación segregada y descoordinada entre los distintos agentes que han intervenir. En un proceso de generación formal analógico los parámetros que intervienen son en parte conscientes y en parte inconscientes o aprendidos. El Arquitecto sólo tiene control sobre la parte consciente de los parámetros a integrar en el diseño, de acuerdo a sus conocimientos y capacidades será capaz de manejar un número limitado de parámetros. La parte aprendida permanece en el inconsciente y dirige el proceso analógico, aportando prejuicios estéticos incorporados durante el proceso formativo y propio del entorno cultural. “El empleo de herramientas digitales basadas en la evaluación prestacional durante el proceso de selección formal permite al Arquitecto conocer “en tiempo real” el desempeño en el conjunto de prestaciones evaluadoras del conjunto de alternativas geométricas a la propuesta previamente definida por la intuición arquitectónica. El proceso definido no persigue identificar una solución óptima sino asistir al Arquitecto en el proceso de generación de la forma mediante la evaluación continua de los vectores direccionales más idóneos que el procedimiento generativo plantea”. La definición de complejidad en generación y producción de formas en relación con el proceso de diseño digital paramétrico global o integrado, es esencial para establecer un protocolo que optimice su gestión. “Se propone como definición de complejidad como factor resultante de multiplicar el número de agentes intervinientes por el número de parámetros e interacciones comunes que intervienen en el proceso de generación de la forma, dividido por la complejidad de intercambio de información digital desde el origen hasta la fase de fabricación y construcción”. Una vez analizados los procesos de generación digital de Arquitectura se propone identificar los parámetros geométricos que definen el proceso de Diseño digital, entendiendose por Diseño el proceso que engloba desde la proposición de una forma inicial basada en la intuición del Arquitecto, la generación y evaluación de variantes y posterior definición digital para producción, tanto de un objeto, un sistema o de la totalidad del Proyecto. En la actualidad el proceso de Diseño es discontinuo y lineal organizandose los parámetros por disciplinas en las que está estructurada las atribuciones profesionales en la industria de la construcción. Para simplificar la identificación y listado se han agrupado siguiendo estos grupos de conocimiento. Entendemos parametros invariables aquellos que son independientes de Tipologías arquitectónicas o que dependen del mismo proceso de generación de la Forma. “El listado de los parámetros que intervienen en un proceso de generación formal es una abstracción de una realidad compleja. La parametrización de las decisiones que intervienen en la selección de una forma determinada mediante “well defined problems” es imposible. El proceso que esta tesis describe entiende esta condición como un elemento que pone en valor el propio procedimiento generativo por la riqueza que la subjetividad que el equipo de diseño aporta”. La segunda parte esencial de esta investigación pretende extraer las restricciones propias del estado del arte de la fabricación digital para posteriormente incorporarlos en los procesos digitales de definición de la Forma arquitectónica. “La integración de las restricciones derivadas de las técnicas de fabricación y construcción digitales en el proceso de generación de formas desde el ámbito de la Arquitectura debe referirse a los condicionantes geométricos asociados a cada sistema constructivo, material y técnica de fabricación. La geometría es además el vínculo que permite asociar el conjunto de parámetros prestacionales seleccionados para un Proyecto con los sistemas de fabricación digital”. A estos condicionantes geométricos obtenidos del análisis de cada sistema de fabricación digital se les ha denominado “invariantes geométricos”. Bajo este término se engloban tanto límites dimensionales de fabricación, como materiales compatibles, tolerancias de manufactura e instalación y cualidades prestacionales asociadas. El objetivo de esta propuesta es emplear la geometría, herramienta fundamental y propia del Arquitecto, como nexo de unión entre el conjunto complejo y heterogéneo de parámetros previamente listados y analizados. Para ello se han simplificado en tablas específicas para cada parámetro prestacional los condicionantes geométricos que se derivan de los Sistemas de fabricación digital compatibles (ver apéndice 1). El estudio y evaluación de las capacidades y objetivos de las distintas plataformas de software disponibles y de las experiencias profesionales evaluadas en los proyectos presentados, permiten concluir que la propuesta de plataforma digital de diseño integral multi-paramétrico de formas arquitectónicas requiere de un protocolo de interoperatibilidad específico aún no universalmente establecido. Actualmente el enfoque de la estrategia para normalizar y universalizar el contexto normativo para regular la interoperatibilidad se centra en figura del gestor denominado “BIM manager”. Las atribuciones y roles de esta figura se enfocan a la gestión del continente y no del contenido (Definición de los formatos de intercambio, niveles de desarrollo (LOD) de los componentes o conjuntos constructivos, detección de interferencias y documentación del propio modelo). Siendo este ámbito un desarrollo necesario para la propuesta de universalización del sistema de diseño para fabricación digital integrado, la presente investigación aporta un organigrama y protocolo asociado. El protocolo: 1. Establece la responsabilidad de identificar y definir la Información que debe determinar el proceso de generación y desarrollo de la forma arquitectónica. 2. Define la forma digital apropiada para generar la geometría del Proyecto, incluyendo la precisión necesaria para cada componente y el nivel de detalle necesario para su exportación inequívoca al proceso de fabricación. 3. Define el tempo de cada etapa de diseño identificando un nivel de detalle acorde. 4. Acopla este organigrama dentro de las estructuras nuevas que se proponen en un entorno BIM para asegurar que no se producen solapes o vacíos con las atribuciones que se identifican para el BIM Manager. “El Arquitecto debe dirigir el protocolo de generación coordinada con los sistemas de producción digital para conseguir que la integración completa. El protocolo debe asistir al proceso de generación de forma mediante la evaluación del desempeño prestacional de cada variante en tiempo real. La comunicación entre herramientas digitales es esencial para permitir una ágil transmisión de información. Es necesario establecer un protocolo adaptado a los objetivos y las necesidades operativas de cada proyecto ya que la estandarización de un protocolo único no es posible”. Una decisión estratégica a la hora de planificar una plataforma de diseño digital común es establecer si vamos a optar por un Modelo digital único o diversos Modelos digitales federados. Cada uno de los modos de trabajo tiene fortalezas y debilidades, no obstante en el ámbito de investigación se ha concluido que un proceso integrado de Diseño que incorpore la evaluación prestacional y conceptual definida en el Capítulo 3, requiere necesariamente de varios modelos de software distintos que han de relacionarse entre sí mediante un protocolo de comunicación automatizado. Una plataforma basada en un modelo federado consiste en establecer un protocolo de comunicación entre los programas informáticos empleados por cada disciplina. En este modelo de operación cada equipo de diseño debe establecer las bases de comunicación en función del número y tipo de programas y procesos digitales a emplear. En esta investigación se propone un protocolo basado en los estándares de intercambio de información que estructura cualquier proceso de generación de forma paramétrico “La investigación establece el empleo de algoritmos evolutivos como el sistema actual óptimo para desarrollar un proceso de generación de formas basadas en la integración y coordinación de invariantes geométricos derivados de un conjunto de objetivos prestacionales y constructivos. No obstante, para la aplicación en el caso práctico realizado se ha podido verificar que la evaluación del desempeño aún no puede realizarse en una única herramienta y por lo tanto el proceso de selección de las variantes genéticas óptimas ha de ejecutarse de forma manual y acumulativa. El proceso debe realizarse de manera federada para la selección evolutiva de los invariantes geométricos dimensionales”. La evaluación del protocolo de integración y los condicionantes geométricos obtenidos como parámetros geométricos que controlan las posibles formas compatibles se realiza mediante su aplicación en un caso práctico. El ejercicio simula la colaboración multidisciplinar con modelos federados de plataformas distintas. La elección del tamaño y complejidad constructiva del proyecto se ha modulado para poder alcanzar un desarrollo completo de cada uno de los parámetros prestacionales seleccionados. Continuando con el mismo objetivo propuesto para los parámetros prestacionales, la tipología constructiva-estructural seleccionada para el ejercicio permite la aplicación la totalidad de invariantes geométricos asociados. El objetivo de este caso práctico es evaluar la capacidad alterar la forma inicialmente propuesta mediante la evaluación del desempeño prestacional de conjunto de variantes geométricas generadas a partir de un parámetro dimensional determinado. Para que este proceso tenga sentido, cada una de las variantes debe ser previamente validada conforme a las limitaciones geométricas propias de cada sistema de fabricación y montaje previstos. El interés de las conclusiones obtenidas es la identificación de una variante geométrica distante a la solución simétrica inicialmente como la solución óptima para el conjunto de parámetros seleccionados. Al tiempo se ha comprobado como la participación de un conjunto de parámetros multi-disciplinares que representan la realidad compleja de los objetivos arquitectónicos favorecen la aparición de variaciones genéticas con prestaciones mejoradas a la intuición inicial. “La herencias tipológicas suponen un límite para la imaginación de variantes formales al proceso de ideación arquitectónica. El ejercicio realizado demuestra que incluso en casos donde aparentemente la solución óptima aparenta ser obvia una variante aleatoria puede mejorar su desempeño global. La posibilidad de conocer las condiciones geométricas de las técnicas de fabricación digital compatibles con el conjunto de parámetros seleccionados por el Arquitecto para dirigir el proceso asegura que los resultados del algoritmo evolutivo empleado sean constructivamente viables. La mejora de imaginación humana con la aportación de geometrías realmente construibles supone el objetivo último de esta tesis”. ABSTRACT Architectural form generation process is shifting from analogical to digital. Digital technology has changed the way we design empowering Architects and Engineers to precisely define any complex geometry envisioned. At the same time, the construction industry, following aeronautical and automotive industries, is implementing digital manufacturing techniques to improve efficiency and quality. Consequently construction complexity will no longer be related to geometry complexity and it is associated to coordination with digital manufacturing capacities. Unfortunately it is agreed that non-standard geometries, even when proposed with performance optimization criteria, are only suitable for projects with non-restricted budgets. Furthemore, the lack of coordinated exportation protocol and geometry management between design and construction is avoiding the globalization of emergence process in built projects Present research first objective is to identify exclusive form-generation parameters related to digital manufacturing geometrical restraints. The intention was to use geometry as the form-generation tool and integrate the digital manufacturing capacities at first stages of the project. The first chapter of this text describes the investigation historical context focusing on the influence between accurate geometry definition at non-standard forms and its construction. At first examples of non-Euclidean geometries built the communication between design and construction were based on analogical partial and imprecise documentation. Deficient communication leads to geometry adaptation on site leaving the final form uncontrolled by the Architect. Computer Aided Design enable Architects to define univocally complex geometries that previously where impossible to communicate. “The univocally definition of the Form, and communication between design and construction is essential for complex geometry Projects”. The second chapter is focused on digital technologies application in form finding process and site construction. The case studies selected identifies a clear inflexion node at 1992 with the Guggenheim Museum in Bilbao. The singularity of this project was the use of Aeronautics software to define digitally the external envelope complex geometry to enable the contractor to build it. “The digital revolution has given the Architect the capacity to design buildings beyond the architectural archetypes driven by geometric-constructive limitations. The application of digital manufacturing techniques has enabled a free-form construction without geometrical limitations. In this new context performance shall be the responsible to set new conceptual boundaries, since the behavior of each possible geometry can be compare and analyze beforehand. The role of the Architect is to prioritize the performance and architectural objectives of each project in a complete and coherent set of parameters”. Projects using digital tools for solving various stages of the design process were increased exponentially since 1992 until today. Despite the significant rise of the techniques of computer-aided design the main challenge remains linking geometries and materials proposed at each design with the capabilities of digital manufacturing techniques. Design for manufacturing in a digital environment is a mature technology in other industries such as aerospace and automotive, including consumer products and decoration, but in the construction sector is an immature and disjointed system. The peculiarities of the construction industry have not yet been addressed in its entirety and research proposals made in this area until 2015 have focused in separate parts of the process and not the total process. “The main obstacle to global standardization and implementation of a complete digital process from the form-finding to construction site is the lack of an integrated protocol that integrates manufacturing, economic and commissioning limitations, together with the performance evaluation of each possible form”. The different form generation processes are studied at chapter number 3. At the introduction of this chapter there is a specific definition of "form" for the research field. Form is identified with the outer envelope geometry, including the organizational set of connected indoor spaces connected to it. Therefore it is not exclusive of the interior. The aim of this study is to analyze and classify the main digital form generation processes using different selected projects as emblematic of each type. The approach to this process is complex, with segregated and uncoordinated different actors have to intervene application. In an analogical form-generation process parameters involved are partly conscious and partly unconscious or learned. The architect has control only over limited part of the parameters to be integrated into the design, according to their knowledge and. There is also a learned aesthetical prejudice that leads the form generation process to a specific geometry leaving the performance and optimization criteria apart from the decision making process. “Using performance evaluation digital tools during form finding process provides real-time comparative information to the Architect enabling geometry selection based on its performance. The generative form generation process described at this document does not ambition to identify the optimum geometry for each set of parameters. The objective is to provide quick information at each generation of what direction is most favorable for the performance parameters selected”. Manufacturing complexity definition in relation to a global and integral process of digital design for manufacture is essential for establishing an efficient managing protocol. “The definition of complexity associated to design for production in Architecture is proposed as the factor between number of different agents involved in the process by the number of interactions required between them, divided by the percentage of the interchange of information that is standardized and proof of information loss”. Design in architecture is a multi-objective process by definition. Therefore, addressing generation process linked to a set of non-coherent parameters requires the selection of adequate generative algorithm and the interaction of the architect. During the second half of the twentieth century and early twenty-first century it have been developed various mathematical algorithms for multi-parametric digital design. Heuristic algorithms are the most adequate algorithms for architectural projects due to its nature. The advantage of such algorithms is the ability to efficiently handle large scale optimization cases where a large number of design objectives and variables are involved. These generative processes do not pursue the optimum solution, in fact it will be impossible to proof with such algorithm. This is not a problem in architectural design where the final goal is to guide the form finding process towards a better performance within the initial direction provided by the architect. This research has focused on genetic algorithms due to its capacity to generate geometric alternatives in multiple directions and evaluate the fitness against a set of parameters specified in a single process. "Any protocol seeks to achieve standardization. The design to manufacturing protocol aims to provide a coordinated and coherent form generation process between a set of design parameters and the geometrical requirements of manufacturing technique. The protocol also provides an information exchange environment where there is a communication path and the level of information is ensured. The research is focused on the process because it is considered that each project will have its own singularities and parameters but the process will stay the same. Again the development of a specific tool is not a goal for the research, the intention is to provide an open source protocol that is valid for any set of tools”. Once the digital generation processes are being analized and classified, the next step is to identify the geometric parameters that define the digital design process. The definition of design process is including from the initial shape proposal based on the intuition of the architect to the generation, evaluation, selection and production of alternatives, both of an object , system or of the entire project . The current design process in Architecture is discontinuous and linear, dividing the process in disciplines in which the construction industry is structured. The proposal is to unify all relevant parameters in one process. The parameters are listed in groups of knowledge for internal classification but the matrix used for parameter relationship determination are combined. “A multi-parameter determination of the form-finding process is the integration all the measurable decisions laying behind Architect intuition. It is not possible to formulate and solve with an algorithm the design in Architecture. It is not the intention to do so with the proposal of this research. The process aims to integrate in one open protocol a selection of parameters by using geometry as common language. There is no optimum solution for any step of the process, the outcome is an evaluation of performance of all the form variations to assist the Architect for the selection of the preferable solution for the project”. The research follows with the geometrical restrictions of today Digital manufacturing techniques. Once determined it has been integrated in the form-finding process. “Digital manufacturing techniques are integrated in the form-finding process using geometry as common language. Geometric restraints define the boundary for performance parametric form-finding process. Geometrical limitations are classified by material and constructive system”. Choose between one digital model or several federate models is a strategic decision at planning a digital design for manufacturing protocol. Each one of the working models have strengths and weakens, nevertheless for the research purposes federated models are required to manage the different performance evaluation software platforms. A protocol based on federated models shall establish a communication process between software platforms and consultants. The manager shall integrate each discipline requirements defining the communication basis. The proposed protocol is based on standards on information exchange with singularities of the digital manufacturing industry. “The research concludes evolutionary algorithms as current best system to develop a generative form finding process based on the integration and coordination of a set of performance and constructive objectives. However, for application in professional practice and standardize it, the performance evaluation cannot be done in only one tool and therefore the selection of optimal genetic variants must be run in several iterations with a cumulative result. Consequently, the evaluation process within the geometrical restraints shall be carried out with federated models coordinated following the information exchange protocol”. The integration protocol and geometric constraints evaluation is done by applying in a practical case study. The exercise simulates multidisciplinary collaboration across software platforms with federated models. The choice of size and construction complexity of the project has been modulated to achieve the full development of each of the parameters selected. Continuing with the same objective proposed for the performance parameters the constructive and structural type selected for the exercise allows the application all geometric invariants associated to the set of parameters selected. The main goal of the case study is to proof the capacity of the manufacturing integrated form finding process to generate geometric alternatives to initial form with performance improved and following the restrictions determined by the compatible digital manufacturing technologies. The process is to be divided in consecutive analysis each one limited by the geometrical conditions and integrated in a overall evaluation. The interest of this process is the result of a non-intuitive form that performs better than a double symmetrical form. The second conclusion is that one parameter evaluation alone will not justify the exploration of complex geometry variations, but when there is a set of parameters with multidisciplinary approach then the less obvious solution emerge as the better performing form. “Architectural typologies impose limitation for Architects capacity to imagine formal variations. The case study and the research conclusions proof that even in situations where the intuitive solution apparently is the optimum solution, random variations can perform better when integrating all parameters evaluation. The capacity of foreseing the geometrical properties linking each design parameter with compatible manufacturing technologies ensure the result of the form-finding process to be constructively viable. Finally, the propose of a complete process where the geometry alternatives are generated beyond the Architect intuition and performance evaluated by a set of parameters previously selected and coordinated with the manufacturing requirements is the final objective of the Thesis”.

El concurso “Berlin Hauptstadt” 1957-1958 : aproximaciones al proyecto de espacio público europeo de posguerra

1. INTRODUCCION 2. LA ORGANIZACIÓN DEL CONCURSO 3. MONUMENTALIDAD Y ESCALAS CERCANAS Los CIAM de Bridgewater y Hoddesdon. El carácter institucional del urbanismo moderno Las propuestas premiadas 4. PLANTA LIBRE Y PREEXISTENCIAS El CIAM 7 de Bérgamo. El debate sobre la reconstrucción Nada que conservar. La propuesta de Le Corbusier Desde el interior. La propuesta de Luiggi Piccinato 5. LA VIDA EN LA CALLE. SUPERPOSICION DE USOS EN EL ESPACIO PÚBLICO De Hoddesdon al manifiesto de Doorn y Dubrovnic. Usos compartidos. La propuesta de Van der Broeck y Bakema Una calle en alto. La propuesta de Alison y Peter Smithson “The charged void”. Dos sillas y el rastro de una acción 6. EL PAISAJE COMO PUNTO DE PARTIDA El CIAM de la Sarraz. Hacia una definición de “Urbanismo” De la “Grosstadt” al “StadtLandschaft”. La propuesta de Korn y Rosemberg Infraestructuras para un paisaje de mesetas. La propuesta de Abben, Anderson y Utzon 7. OTRAS HUELLAS PARA OTRA SOCIEDAD Forma y contenido de Berlín-Mitte. La propuesta de Scharoun. El paisaje chino propuesto por Ebert y Scharoun 8. CONCLUSIONES Cambios de contexto y búsqueda pragmática De la necesidad de humanizar. Momentos de conciencia INTRODUCCION El espacio público siendo quizás uno de los campos en que con más frecuencia se trabaja en los últimos años, carece sin embargo de episodios suficientemente alejados en el tiempo que nos permitan reconocer su historia reciente. La irrupción del pensamiento organicista y más tarde existencialista tras el final de la 2ª Guerra Mundial cambiaron el modo de pensar en todas las áreas del conocimiento, también en aquellas relativas al urbanismo y el proyecto de ciudad. El cambio de contexto encontrado en las capitales europeas tras los bombardeos de la Guerra (figura1) cristalizó en la necesidad de una ciudad “humanizada”. Esta necesidad se reconoce en algunas propuestas aisladas de aquellos años que se han estudiado usualmente como precursoras de otras mas actuales , pero son cuestiones que también fueron transformando la forma de pensar el espacio público en los diferentes debates de urbanismo llevados a cabo en los Congresos Internacionales de Arquitectura Moderna, influyendo de manera determinante en la continua revisión de las prerrogativas de la “Carta de Atenas” y llegando a estar en la base de su disolución final escenificada por el Team X en Oterloo en 1959. A pesar de las continuas revisiones que se habían llevado a cabo en el periodo de postguerra, la distancia entre los presupuestos teóricos y las realidades urbanas que se encontraban los participantes en los CIAM de aquella época, llevó a un cierto escepticismo y a un desplazamiento de intereses desde la teoría urbanística a la práctica proyectiva, tratando de resolver cuestiones concretas para posteriormente extraer conclusiones. LA ORGANIZACIÓN DEL CONCURSO El concurso: “Berlin Hauptstadt”, un ambicioso Plan para la Capital de una Alemania unida convocado en 1957 por la “Internationalles Bauaustellung” berlinesa, fue un último episodio en los debates de urbanismo moderno de aquel periodo de disolución que nos muestra las incertidumbres y contradicciones de algunos participantes al enfrentarse al proyecto de espacio público desde la desconfianza en las bases teóricas. Si bien en cuanto a los proyectos de edificación, apenas se percibieron cambios en las propuestas presentadas al concurso, en algunos casos, el proyecto de espacio público si presentó ciertas variaciones respecto a las pautas urbanísticas presentadas por los CIAM de aquellos años. Se plantea el estudio de Berlin Hauptstadt como un último registro de estas reacciones pragmáticas ante el cambio de contexto, que nos permita encontrar matices y diferencias de interpretación entre algunas de las propuestas para desvelar a través de ellas las condiciones latentes en el proyecto de espacio público de posguerra europeo. La batalla propagandística derivada de la tensión existente entre los dos bloques que gobernaban la capital alemana en aquellos años, protagonizó la mayor parte de las decisiones sobre la ciudad y sus espacios públicos. En Berlín occidental se realizaron múltiples exposiciones sobre los diversos planes urbanísticos propuestos divulgando un modelo de ciudad moderna abierta y de planta libre, que equilibraría las carencias de soleamiento y espacios verdes existentes hasta el estallido de la Guerra. Entre otras, se impulsó la “Internationalles Bauaustellung” en 1957 conocida como IBA´57, en la que se llevaron a cabo actuaciones como la reconstrucción del nuevo “Hansaviertel” además de otros eventos entre los que destacaba el concurso “Berlin Hauptstadt”. Berlín se presentaba en la convocatoria como la futura capital de una Alemania unificada, que le llevaba a asumir un programa muy extenso y segregado, basado en una nueva red de autopistas y ferrocarriles común para toda la ciudad. Esta utópica premisa fue sin embargo acogida con cierta esperanza de viabilidad real por parte de los participantes, quienes en su mayoría mostraron una preocupación común por lo que coincidieron en llamar “humanizierung der Stadt” la humanización de la ciudad en las memorias presentadas. La humanización era sin embargo algo difícil de lograr en el Berlín de aquellos años. La ciudad o mejor dicho las dos ciudades estaban una vez más sumidas en su propia idea de reconstrucción, como la capital “permanentemente a medio hacer” que ya describía Karl Scheffer a principios de siglo XX. De este modo mientras Berlín era proyectado desde estudios provenientes de países lejanos, para unas autoridades militares afanadas en ganar su particular batalla propagandística con el urbanismo como mejor arma, la necesidad de humanizar el espacio público se fue haciendo cada vez más presente con el paso de los años. Una ciudad real, habitada desde el espacio necesario para las acciones cotidianas, se iba consolidando silenciosamente sobre los descampados y vacíos urbanos de la capital. Las fotografías de Fritz Tiedemann y Arno Fischer (figuras 4,5,6,7) realizadas durante los primeros años tras el final de la guerra, nos muestran un paisaje de ruinas y escombros en las que quedaban registradas los rastros de una escondida cotidianeidad. En estas fotografías las ausencias se hacían mas presentes que las ruinas de la ciudad anterior, enfocando las imágenes en los ejes de las interminables avenidas, la antigua capital prusiana se percibe como un descampado continuo . MONUMENTALIDAD Y ESCALAS CERCANAS Los CIAM de Bridgewater y Hoddesdon. El carácter institucional del urbanismo moderno La mayoría de las propuestas presentadas al Concurso Berlin Hauptstadt, se desarrollaron por tanto desde unas premisas modernas que ya entonces llevaban más de una década en crisis continua. La eclosión de nuevos países en todo el mundo, que inauguraban sus recién instauradas democracias con nuevas capitales que las representasen, había alimentado durante aquellos años las discusiones teóricas llevadas a cabo en el seno de los CIAM actualizando en ciertos aspectos una “Carta de Atenas” que sin embargo se mostraban incompatibles con la recuperación de las ciudades europeas tras los bombardeos de la 2ª Guerra mundial. Estos desencuentros habían ido cambiando la forma de pensar el espacio público e intensificando su debate en los últimos Congresos Internacionales de Arquitectura Moderna. Las críticas a las actas del primer CIAM celebrado tras el final de la contienda en Bridgewater (Reino Unido) en 1947, recogidas en escritos como “Monumentalist, Symbolism and Style” por Lewis Mumford y repetidas en distintas ocasiones desde que declinó la invitación de José Luis Sert para redactar el prólogo de “Can our cities survive?” en 1940, empezaron a desestabilizar las hasta entonces férreas convicciones de los participantes. La búsqueda de una ciudad más humanizada apareció como preocupación común en las actas redactadas por Giedion, donde se entendía además logro suficiente la reanudación de los encuentros, emplazándose a proponer los temas a debatir en el próximo Congreso . Esta cualidad humana era la base del “corazón de la ciudad” que José Luis Sert propondría como tema repetidamente hasta que finalmente fue recogido como título del CIAM 8 celebrado en Hoddesdon (Inglaterra) en 1951. También sería en Hoddesdon, donde como expone Eric P. Mumford , donde se confirmó una cierta conciencia de globalización de los preceptos modernos que ya aceptados como lugar común por los poderes políticos de los distintos gobiernos no podrían volver a jugar el papel de vanguardia que se le suponía. Las propuestas premiadas Pocos años después en 1967 en su monografía editada por W. Boesiger y H. Girsberger44: Le Corbusier dejaba constancia del airado desacuerdo con que recibió el fallo del jurado, en un escrito publicado “El hecho de pensar en urbanismo en 3 dimensiones fue considerado como un crimen. De 86 proyectos se admitieron 13, pero el decimotercero era el de Le Corbusier. Fue eliminado.” Criticando así una referencia que hacían las actas a los enormes rascacielos de planta triangular que el maestro suizo superponía sobre la vieja trama berlinesa. A pesar de las enormes dificultades existentes en las Alemanias de después de la Guerra, el espíritu con que se había propuesto el concurso Berlin Hauptstadt desde la organización del IBA´57, era muy próximo al de las nuevas capitales democráticas recién fundadas profusamente expuestas en 1951 en el CIAM de Hoddesdon. Se hacía mas hincapié en lograr estos aspectos representativos y de escala monumental que debían tener las áreas institucionales que en atender a las condiciones de entendimiento con el centro histórico que tanto preocupaban ya en otras capitales europeas aquellos años. Pero si bien las bases del Concurso se habían establecido sobre estos criterios, la resolución del jurado tuvo sin embargo muy en cuenta ciertas consideraciones en cuanto a la escala de las nuevas edificaciones propuestas y al encuentro con la estructura de la ciudad existente. PLANTA LIBRE Y PREEXISTENCIAS El CIAM 7 de Bérgamo. Intervenir sobre lo existente Los principios del urbanismo moderno descritos en los CIAM de los años 1920 y 1930, desde las primeras ciudades ideales propuestas hasta la redacción de la más tarde conocida como “Carta de Atenas”, estaban pensados generalmente sobre una naturaleza teórica más o menos fértil y habitable que obviaba aquellas particularidades del lugar en el que se producían. Tras la guerra, los desoladores paisajes de retazos urbanos en que se habían convertido las capitales europeas, hacían difícil ignorar las nuevas condiciones del terreno con las ruinas de unas ciudades que poco antes estaban allí. La propuesta para la reconstrucción de Milán, fue presentada por Ernst N. Rogers en la primera sesión del CIAM de Bérgamo, como un trabajo acorde con los preceptos urbanísticos de la Carta de Atenas y capaz de incorporar la restauración de los centros históricos como parte de un plan urbanístico moderno. Se reabría así un debate en el seno de los CIAM, después de que hubiese sido ya puesto sobre la mesa por los arquitectos polacos de origen judío Helena y Syzmon Syrkus en las reuniones preparativas para el CIAM 7 llevadas a cabo un año antes en Paris. El Plan “Varsovia Socialista” incorporaba la reconstrucción del centro histórico de las ciudades a otras actuaciones basadas en la Carta de Atenas, como una reivindicación de identidad cultural ante la barbarie nazi. Helena Syrkus, a quien Giedion reservó una hora en la rueda de conferencias de la sesión inaugural del CIAM de Bérgamo, reclamaba este tipo de actuaciones como parte de una revolución “socialista-realista” que suponía un cambio cultural en la vida de los ciudadanos. Estas intervenciones, llevaron a un debate más amplio que el de la reconstrucción y conservación de centros históricos, planteándose asuntos que eran debatidos por la ciudadanía en otros ámbitos. Nada que conservar. La propuesta de Le Corbusier Le Corbusier (figura1), llevó a cabo Berlin Hauptstadt en paralelo a otros trabajos que ya en aquella época prestaban mas atención a las condiciones particulares del lugar como Chandigarh, trabajó en Berlin partiendo desde un plano teórico con el que superponía con toda libertad una versión reeditada de la “Ville Radieuse”, apenas adaptada al entramado aún presente de la antigua ciudad. Así describía la situación de partida: ”No había duda, no se habrían de destruir obras maestras del pasado para reconstruir. La demolición se debió a los aviones y no quedaba nada de todo el centro de Berlín.” Desde el interior. La propuesta de Luiggi Piccinato El final caótico del Congreso de Bérgamo, tuvo aún una última crítica quizás una de las más difíciles de salvar meses después de la clausura. El crítico italiano formado en Harvard Bruno Zevi dirigía una carta a los participantes: “De´lla cultura architettonica: Messagio al Congrés International d´Architecture Moderne”. poniendo de relieve cómo los CIAM habían perdido la batalla para liderar el debate arquitectónico al no contar con algunos de los arquitectos de la escena internacional que habían desarrollado sobre los principios de Frank Lloyd Wright, una arquitectura llamada orgánica. Con estos principios se trasladaba la idea de construir desde el interior hacia el exterior tanto la arquitectura como la propia ciudad, heredando las estructuras existentes y desarrollándolas como el crecimiento continuo de los organismos vivos. Este principio hacía necesario alejarse de los planteamientos más teóricos del urbanismo moderno, en favor de una práctica proyectiva concreta que asumiera las vicisitudes concretas del lugar en el que se trabaja. Bruno Zevi fundó la A.P.A.O. en Italia, junto con otros arquitectos y urbanistas entre quienes estaban Pier Luiggi Nervi y Mario Ridolfi además del urbanista Luiggi Piccinato. Tras el final de la Guerra, Piccinato lleva a cabo diversos Planes de Reconstrucción de ciudades históricas como Nápoles Roma o Siena y en los años 1950 de las principales capitales turcas, como Estambul y Bursa. El valor patrimonial que detecta en estas capitales de la historia arquitectónica lo asociaba a las cualidades constructivas más básicas, aquellas que realizadas sin arquitectos representaban la herencia de una cultura propia. La propuesta que presentó Luiggi Piccinato al concurso Berlin Hauptstadt (figura2), bien puede considerarse como una mas de las actuacicones realizadas hasta entonces, no había en ella una sola estructura basada en datos socioeconómicos que determine el orden general. sino que su propuesta se basaba en la suma de distintos proyectos concretos que resuelven espacios urbanos de características particulares. El plan General propuesto es consecuencia directa de estas pequeñas actuaciones con las que va re-describiendo la trama urbana de todo el área central. Un entramado de plazas interiores se incorporaban a las manzanas aún existentes, ordenando así los vacíos tan característicos de la ciudad para volver a coser las estructuras que aún quedaban en pie. Re-describir las trazas de una ciudad tan denostada por aquel entonces. LA VIDA EN LA CALLE. SUPERPOSICION DE USOS EN EL ESPACIO PÚBLICO De Hoddesdon al manifiesto de Doorn y el CIAM de Dubrovnic. El “Corazón de la Ciudad” siendo uno de los pocos temas de debate claros en el CIAM de Hoddesdon llevó sin embargo a varias críticas. Una de las más interesantes fue la protagonizada por Jacob B. Bakema y Sigfried Giedion por la posterior repercusión que tendría en las ideas que forjarían el Team X años más tarde. Giedion defendía los antecedentes históricos que daban soporte al corazón de la ciudad como hecho único, mientras que Bakema, tomando como ejemplo los parques infantiles llevadas a cabo por Aldo Van Eyck en los vacíos de Ámsterdam, abogaba por romper el aislamiento del hombre en la ciudad y poner en valor las relaciones entre las personas y objetos, a escala de barrio llevando distintos centros a todos ellos. Una de las primeras consecuencias de esta afirmación, fue la obsolescencia del criterio de segregación por áreas funcionales de la ciudad, una de las piedras angulares del urbanismo hasta entonces. La cuestión del uso. superposiciones en el espacio público En búsqueda de esa ciudad de siempre la propuesta presentada por Van Der Broeck y Bakema para Berlin Hauptstadt, trataban de llevar a cabo una disgregación del exhaustivo programa de usos propuesto en las bases para generar una serie de espacios públicos centrales. La relación entre programa y ciudad se fraguaba así como un esquema multi-centros en el que los usos, lejos de presentarse segregados se superponían por capas en un mismo espacio. La vida de los pueblos y aldeas antes de la llegada de la planificación urbana se concentraba en su espacio público, en su origen las primeras poblaciones carecían de edificios de un solo uso específico como mercados, teatros, etc, estas acciones tenían cabida de forma más o menos espontánea en el suelo libre disponible entre las casas. “The charged void” . El vacío cargado en la propuesta de los Smithson In calling our collected works The Charged Void we are thinking of architecture’s capacity to charge the space around it with an energy which can join up with other energies, influence the nature of things that might come, anticipate happenings… a capacity we can feel and act upon, but cannot necessarily describe or record. Con este escueto pero intenso párrafo, Alison y Peter Smithson hacían una aproximación un tanto indeterminada, a la idea de charged void como espacio público lleno de vida, invitándonos quizá a preguntarnos sobre esa necesidad de espacio vacío para respirar, cada vez más acuciante en la arquitectura de nuestras ciudades. La propuesta para “Berlin Hauptstadt” de Alison y Peter Smithson, ganadora de un 3er premio, se basaba en un entramado de calles en alto que se extendía sobre la antigua ciudad superponiéndose como una nueva trama. Este tejido de calles, con unas dimensiones suficientemente amplias para redefinir Berlín pero a la vez suficientemente cercanas para participar de la vida cotidiana de la ciudad, se presentaba con independencia de las edificaciones existentes y propuestas como el gran protagonista de la intervención. Proponían un entramado más o menos coincidente con el trazado de la ciudad, dejando que pequeñas torres de esquinas achaflanadas albergaran las oficinas, las viviendas y los espacios comerciales, adosándose tan sólo en una de sus caras al entramado peatonal propuesto. Las calles tenían dimensiones sobradas para la mera conexión de barrios y sin embargo tampoco tenían un uso específico, estaban pensadas para albergar todos los eventos cotidianos que se superponían en los barrios y pequeñas poblaciones de la época. EL PAISAJE COMO PUNTO DE PARTIDA El CIAM de la Sarraz. Hacia una definición de “Urbanismo”. En los congresos CIAM, desde el primer encuentro celebrado en La Sarraz en 1928, la necesidad de definir el término “urbanismo” como método objetivo de proyectar la ciudad, había llevado a excluir aquellas otras consideraciones relativas al paisaje que no eran fácilmente analizables. Las consideraciones entorno al uso, al soleamiento, a la facilidad de acceso, de edificación o a las óptimas densidades de ocupación de un territorio, debían estudiarse sin más distracciones con un análisis objetivo que regiría posteriormente todo planteamiento urbanístico. Así, en el primer punto del acta redactada en francés, del CIAM I de La Sarraz, se definía: “1. Urbanismo es la organización de todas las funciones de la vida colectiva. Se extiende sobre las aglomeraciones urbanas y el campo. La urbanización no puede estar condicionada por las pretensiones de un esteticismo preexistente, su esencia es la de un orden funcional” … De la “Grosstadt” al “StadtLandschaft”. La propuesta de Korn y Rosenberg. En 1957, algunas de las propuestas presentadas al concurso Berlín Hauptstadt, como la de Arthur Korn y Stephen Rosenberg, tuvieron el paisaje como punto de partida del proyecto. La propuesta presentada 15 años después para Berlín Hauptstadt, formando equipo con Stephen Rosenberg, con quien se asociaría poco después en Londres, planteaba un paisaje fluvial generado directamente por una gran placa plana. La placa, como aquellas de origen sedimentario que bordean los cauces de los ríos, fluctuaba ampliando y disminuyendo su ancho y se deshacía incrustándose en la trama urbana existente, ahuecando su interior para dar cabida a los distintos espacios públicos del programa. Como apunta Keneth Frampton , la propuesta presentada por Korn y Rosenberg evolucionaban desde el concepto de Grosstadt (gran ciudad) a la idea de Stadtlandschaft (ciudad-paisaje), ya que si bien en el plan propuesto para la reconstrucción de Londres eran las trazas del viario y la parcelación las que respondían a las prerrogativas del paisaje, en Berlín se daba un paso más, confiando en una superestructura de carácter orgánico la resolución de todos los aspectos tanto institucionales como terciarios que se proponían en el programa, que eran posteriormente incluidos en el proyecto. Los primeros esbozos del paisaje lineal entorno al rio Spree a su paso por Berlín, posibilitaron a los autores reconocer cierta unidad en lo que se presentaba como una amalgama de retazos fragmentados y dispersos en el que la Capital no era reconocible. Pero si bien estos apuntes, habían logrado cierta ilusión de cohesión y continuidad en torno al paisaje fluvial del Spree, al desarrollarse con precisión, los autores trasladaban directamente a las plantas generales y axonometrías de la propuesta los sinuosos contornos, haciendo ciertamente complicado el encuentro con la trama existente (figuras 26 y 27). La gran determinación con que trataban sus autores de no perder las virtudes intuidas en sus primeros apuntes, les llevaba a abandonar las pautas de zonificación y separación por unidades funcionales que se establecían en los CIAM para aproximarse a su realidad constructiva desde una utópica confianza en sus valores plásticos como solución de los problemas urbanos encontrados. Un paisaje de mesetas. La propuesta de Abben, Anderson y Utzon. Si bien por un lado, la adopción de criterios paisajísticos como punto de partida liberaba de las rígidas pautas de zonificación determinadas en las “Grilla CIAM”, a otra escala suponía distanciarse de las condiciones sociales en las que se asentaba la población berlinesa. La mayor parte de los proyectos de paisaje presentados, compartieron una prerrogativa: El espacio verde en torno al Rio Spree, fue propuesto como elemento estructurador de la nueva capital. La propuesta presentada por el equipo de Jorn Utzon, mostraba con radicalidad esta doble condición del paisaje poniendo a prueba las experiencias vividas sobre las plataformas del Yucatán en México. Unas plataformas vinculadas a la nueva red de autopistas berlinesas, que albergaban aparcamientos en su interior y daban soporte a los distintos edificios de usos institucionales. Mientras la cota superior a la masa arbórea pertenecía a una visión limpia de horizonte nítido desde el que se podía divisar el valle del Spree y las infraestructuras que lo atravesaban, el nivel inferior quedaba vinculado a las trazas de la ciudad, ocupado generalmente por las viviendas. NUEVAS HUELLAS PARA OTRA SOCIEDAD Forma y contenido de Berlín-Mitte.La propuesta de Hans Scharoun Al presentar Hans Scharoun el “Kollektiv Plan” para la reconstrucción de la ciudad en 1946, proponía una trama flexible de autopistas o vías de circulación superpuesta a los campos de ruinas y escombros de la Berlín de aquellos años. El área central de la antigua ciudad, se incorporaba a una enorme banda verde que atravesaba todas las áreas urbanas discurriendo en paralelo a las márgenes del rio Spree. Se negaba la cuidad radio concéntrica, para proponer una trama o red flexible paralela y perpendicular al rio. Quedaban sin embargo en el plan muy pocos detalles de lo que podría ocurrir bajo esa trama en el interior de la retícula, tan sólo quedaba esbozado un gran área libre de edificación que cruzaba como una gran banda verde la ciudad continuando la márgenes naturales del rio Spree hacia el Tiergarten. Aunque la definición de las áreas interiores al entramado quedaba quizá fuera del ámbito de estudio que por aquel entonces les estaba encomendado, la idea de superposición de la trama viaria sobre el valle de ruinas del Spree originaba una nueva conciencia que abría la puerta a trabajar con una doble materialidad. Aquella propia de las ciudades antiguas que por aquel entonces describía en diversos textos. La propuesta logró un 2º premio siendo quizás una de las que menos relación mantenía con las anteriores trazas urbanas berlinesas. En el acta del jurado, se reconocía el acierto de desarrollar el área verde atravesando la ciudad en cuanto a “acogida para el que llega de fuera”. En la memoria que presentó Scharoun junto con Wills Ebert al Concurso Berlin Hauptstadt, se analizaba el área de actuación recordando cómo fueron originados los barrios sobre las poblaciones medievales de Friedrichstadt y Luisenstadt anteriores a las grandes obras urbanizadoras de la corte prusiana y al desarrollo de la metrópoli del s. XX: “Características y de identificable naturaleza son las estructuras de los barrios medievales de Luisenstadt y Friedrichstadt. En estas partes de la ciudad la forma y el contenido aún eran idénticos”… …”convivimos con ellas entendiéndolas como parte de nuestro patrimonio, sin ser muy conscientes de sus contenidos y sus transformaciones a lo largo del tiempo. La pérdida en general de sus principios ordenadores lleva a dejar expuesta la ciudad. Estamos en todos los ámbitos de la planificación urbana ante la dificultad de gestionar con eficacia nuestras tensiones y establecer una nueva transición en las relaciones sujeto-objeto. De ahí que el moderno sistema de circulación yuxtapuesto nos lleve a la indecisión y por tanto a la confusión, en lugar de ordenar las diferencias y clarificar.”80 La memoria para Berlín Hauptstadt, presentaba la estructura medieval del área de intervención como una necesidad para no dejar “expuesta a la ciudad”, sin embargo en las planos presentados al concurso no resulta fácil reconocer este cuidado con las trazas históricas en la ciudad, más bien parecía haberse borrado toda huella de otro tiempo en un gran vacío verde. Es posible que las trazas a las que hacían referencia Scharoun y Ebert, fueran aquellas anteriores a las urbanizaciones de la corte prusiana en 1780, cuando los caminos agrícolas y los arrabales extramuros trazaban las primeras huellas de la ciudad sobre las que más tarde se trazarían los barrios de la capital de Prusia. Estas primeras huellas berlinesas recogidas en publicaciones como “Die Dörfer in Berlín” por Hans Jürgen Rach 81muestran un campo ya humanizado, surcado por caminos y huertas, que hacía reconocible la vida de la sociedad que los habitaba. El paisaje chino propuesto por Ebert y Scharoun Un texto titulado “Urbanismo Chino” escrito en Berlín durante los últimos años de guerra y publicado dos años después de su fallecimiento en 1972, ilustrado con algunas de sus acuarelas realizadas en la misma época74, en la monografía sobre su obra de la Akademie der Kunste de Berlin, desvelaba algunas de las preocupaciones urbanas y paisajísticas del arquitecto en el periodo de postguerra. En el texto Scharoun dejaba constancia de su admiración por las formaciones o Gestalt75 con que nacían las ciudades chinas, tomándolas como posible ideal o modelo de un urbanismo organicista. Este otro urbanismo se exponía como consecuencia de las acciones de una cultura y una sociedad determinada, suficientemente humanas como para cristalizar en estructuras capaces de convocar a sus semejantes, y de ordenar entorno a ellas la vida de toda la población. “El arte de proyectar con buen gusto el cielo, la tierra, los árboles y los ríos como parte vinculante de sus creencias, condujo a la cultura china a una sólida tradición del diseño que permitió el perfeccionamiento y desarrollo de la continuidad urbana. …la formulación de una estructura alveolar sociológica y espiri tual del cuerpo político como un organismo vivo que deja espacio para construir con natural continuidad las transformaciones… Ordenando por temas posteriormente, las distintas continuidades urbanas: “…1. Muros. Están en todo el país, en la ciudad, en los distritos sagrados y los palacios, de los barrios familiares a los muros que los rodean. Limitan y comparten el uso del suelo por una parte y por otra, proveen de una escala moderada a las células habitacionales, que les permitía variar de forma ordenada desde la escala cercana a la gran escala espiritual de la ciudad… Los muros trabajan como elementos constructivos creadores de espacio, hacia el interior, con un cierto límite, ya que es este un espacio determinante. 2. Ejes. Se construyen - como ejes ópticos - llevando a las ya mencionadas células hacia su correspondiente significado espiritual... 3. La luz. Su estudio es especialmente importante. Los frentes uniformes de numerosos edificios públicos con los barrios al sur, tienen las personas una relación cotidiana con la luz, cuya claridad y fuerza apenas se puede experimentar en las azarosas ciudades occidentales. 4. Construcción. Con la misma actitud espiritual tan impregnada en su cultura, se ordenan también las células más importantes de la ciudad, las salas y espacios principales de los templos, palacios y edificios públicos de los barrios residenciales. Cual bosquecillos en un paisaje construyen condensaciones, sin delimitar estas células urbanas. 5. Tejados. (Exagerando) Sí, flotan cual nubes sobre la tierra sobre las construcciones realizadas con esa actitud espiritual. Tienden sobre esas construcciones la capa probablemente más simbólica de todas. Con ligeros matices, los chinos logran agrandar el pequeño espectáculo de la protección de la techumbre. 6. Las terrazas elevadas. El terreno se prepara con moderación y con cuidada moderación se distancian del suelo, porque la vida no se separa de la esclavitud de la tierra. Sin embargo está enriqueciendo y transformando el mundo a su escala, sin hacer ruido.… 7. Calles. Las vías representativas como la que lleva en Pekín hasta la puerta de entrada al palacio de la ciudad prohibida, contrastan con las interiores que son meros carriles de descongestión de los densos distritos residenciales. Estas calles son franjas de arcilla que discurren entre las altas tapias de las casas donde tan solo tiene lugar el juego de la vida, en familia. De este modo las pequeñas calles con su forma cambiante, son también parte de un único orden espiritual, formadas por la expansión sustancial de las construcciones adyacentes… 8. El Paisaje. Se tienen así paisajes a distintas escalas, realizados o desarrollados desde tamaños inminentes a escalas cercanas a la mano del hombre. También cuando los paisajes están fuera de los ámbitos urbanos son ordenados y utilizados, quedando en ellos bellos retazos asilvestrados, porciones vivas y muertas, y refugios de los demonios. Naturalezas ocupadas y libremente vividas en un rico intercambio. Ya sean partes de paisajes grandes o pequeñas, fuera o dentro de las ciudades, son ciertamente de distintos escalas pero no por ello distintos. No hay (como en los jardines occidentales) naturalezas desarmadas. …” Estos aspectos del urbanismo chino revelaban una gran preocupación por aquellos temas relativos a las características de las condiciones públicas de las ciudades y de sus paisajes, al tiempo que un cierto distanciamiento del problema de la vivienda, aún con las acusadas carencias que en este sentido presentaban las ciudades del periodo de postguerra y a pesar de haber sido tantas veces el centro de los intereses de los CIAM. Dejaban entrever la necesidad de encontrar la ciudad como cristalización de una cultura y sociedad. Las instituciones públicas debían ser capaces de convocar a la población mientras que las casas tenían su propia existencia más o menos espontánea y ligada a la tierra, con un mayor grado de libertad e independencia respecto a los planes de los urbanistas. Pero muchas de estas condiciones que Scharoun encontraba en las ciudades chinas, estaban también presentes en la mayoría de las ciudades medievales centroeuropeas, incluyendo a la propia Berlín. La ciudad medieval de Praga, con su característico skyline de cúpulas, cubiertas y torres ABSTRACT Hypothesis Working method Study state 1. BERLIN HAUPTSTADT: 1945 – 1958 1945. Governments and divisions in post-war Berlin 1946. The “KollektivPlan” 1948. The Bonatz Plan 1957. The IBA´57 2. THE SET-UP Planning a Capital. “Berlin Hauptstadt” The working area The jury and the competition programme The refute of Walter Gropius The Berlin Capital requirements 3. MONUMENTALITY AND CLOSER SCALES The C.I.A.M. at Bridgewater and Hoddesdon. Modern urbanism as institutional urban planning thinking Finalists and Shortlisted proposals 4. OPEN FLOOR PLAN AND PREEXISTENCES AFTER WAR “The as found” The C.I.A.M. 7 in Bergamo. About the rebuild of old cities “Nothing to conserve.” Le Corbusier´s Plan for Berlin. From Inside. The plan proposed by Luiggi Piccinato. 5. LIFE IN THE STREET. OVERLAYED USES ON ANCIENT PUBLIC SPACES Form Hoddesdon to Dubrovnic, and the Doorn manifesto. Shared uses. The Plan proposed by Van der Broeck and Bakema Streets in the air. The Plan proposed by Alison and Peter Smithson “The charged void”. Two chairs and an action trail. 6. LANDSCAPE AS A URBAN PRINCIPLE 1957. The irruption of urban motorways Plan Towards a definition for “Urbanism.” The C.I.A.M. in LaSarraz. From “Grosstadt” to “StadtLandschaft.” The proposal by Korn and Rosemberg Chinese landscapes. The proposal by Ebert and Scharoun 7. FOOTPRINTS OF A NEW SOCIETY The influence of other avant-gardes Paths and trails in Albert H. Steiner proposal Berlín-Mitte Form and contains. References to medieval city in the proposal by Scharoun From Friedrichshein to Berlin Hauptstadt. 8. CONCLUSIONS Changing context and pragmatism Human city necessity after war BIBLIOGRAPHY Essential Bibliography Specific publications Specific publications contemporary to “Berlin Hauptstadt” competition General Bibliography APPENDIX Documents Specific publications ABSTRACT Public space, being perhaps one of the urbanism most studied topics on last years, however lacks events sufficiently distant in time to recognize its recent history. The emergence of organic and later existentialism philosophies after Second World War changed the way of thinking in those areas of knowledge relating to urbanism and city planning. The switched context found in European capitals after the War crystallized the need for a "humanized" city. This need is recognized in some isolated proposals of those years , but these questions were also present in the way public space was thought in different debates and urban planning discussions hold at the International Congresses of Modern Architecture, where the decisive influence of the "Athens Charter" prerogatives and its several reviews was on the basis of its final dissolution staged by Team X in Oterloo in 1959. Despite the on going revisions conducted in the post-war period, the gap between theoretical assumptions and urban realities that CIAM participants found at that time, led to some skepticism and a loss of interest in urban theories and aimed them to set on a projective practice, solving specific issues for further general conclusions. The "Berlin Hauptstadt" Competition, an ambitious Plan for the capital of a united Germany convened in Berlin 1957 by the "Internationalles Bauaustellung" was a last episode in this period of discussions and dissolution of modern urbanism that shows uncertainties and contradictions of some participants when were faced to the public space projects distrusting their theoretical bases. While building projects regarded more or less as they were in pre-war period, in some cases, the public space projects presented in the submitted proposals, are perceived with some important variations comparing to the planning guidelines defended by the CIAM urbanism at that time. Thus, the study of Berlin Hauptstadt competition is here presented as a compilation of these pragmatic responses to the switched context, which will allow us to find nuances and differences of interpretation between some of the presented proposals to reveal through them latent conditions in the public space projects at European post-war. CONCLUSIONS Changing context and pragmatism After having a view of the different concepts used by the participants in their proposals presented to the competition, there is a first conclusion we can drop out. The postwar in Berlin, from the Postdam conference until the Wall erection in august 1961, revealed a frozen period in its recent history on which no urban plan was developed under urban arguments nor theories. Most of the urban changes occurred where done by political decisions. Somehow the global urbanism promoted by the postwar CIAMs helped to this situation, the City planning as a standardized method allowed politicians to use it as a tool for propaganda and so to fight for their own interests. Although the specific situation of Berlin, the use of urbanism as a tool for propaganda has been also a usual problem after second world war in some European cities. But meanwhile modern urbanism became an institutional tool and architects and urban planners refuted it beginning then their own research on city planning from a projective practice by solving concrete questions they found in the given context. Thus, we have the proposal of Piccinato in Berlin Hauptstadt working with the existing to develop a non conclude city, far away from previous works like the one of Villa Sabaudia (1934) organized as an axial and well oriented, shaped city. We find in the Smithson proposal a complex city centre with a “charged void” conception, much more picturesque and aerial than the one projected for Golden Lane, four years before. Their concept “area of quietude” proposed at the Berlin competition was used once again a year after, in the elevated plaza that support the Economist buildings. At last we find that Landscape was again used to city planning and thus many proposals were not based on such concepts as transport main lines or building zonings, but in imagined landscapes, which were after filled up with the program. The proposal presented by Arthur Korn and Stephen Rosenberg was quite a renounce of the CIAM principles, which Korn drew up with the “Ernst May Brigade” in the soviet cities between 1930 and 1933 and ten years later in London with the MARS group. Utzon with Abben and Anderson, also settled up another landscape concept which he import from distant cultures to Berlin. He used the Mayas platforms from the Yucatan half island, and the oriental ones as well, in different projects during those years when he was fling constantly from Denmark to Sidney. But he used it not only to project specific buildings like the one of Sidney Concert Hall, in Berlin and later in other places of a smaller scale such concepts were used for urban planning as well. Landscape was also the final solution for a concept, which Hans Scharoun was working on during all these postwar years in Berlin. The Spree-band he already proposed inspired by Peter Friedrich in the Kollektivplan (1946) as a consequence of the traffic main lines and as a logic separation of functions of the city, was presented in Berlin Hauptstadt as a liberated build mass which disposed at the Leipzigerstrasse permitted Tiergarten Park to be continuously expanded all over the Spree valley. The enormous build mass shaped with gold roofs, presented a high level of public spaces that were able to convoke and bring up citizens for having a view of their entire inhabited landscape. The necessity of a human city after war Despite of their different approaches to the Berlin Hauptstadt solitudes, most of the presented proposals showed up a concerning about what was named: “Humanizierung der Stadt” (Humanization of the city), that was a exposed necessity in their submitted texts. But humanizing was a extremely difficult goal at that time in Berlin, a city immerse at the epicenter of the “Cold War” After so many decades isolated and frozen by the “Wall”, Berlin or better the Berliners have developed its own way for city planning. The restricted life they could overlay to the city voids, have leave specific footprints and shaped the ground showing up their own the daily uses of the city. After the “Wall fallen” the great efforts token to unify the divided city by both governments revealed another, thus softly, division. The one established between a real city sculpted by the citizens daily life and other one planned by the council occupying most of these charged voids with a new remake of the Wagner Plan (1925) or the reconstruction of the 19th century city. Even now having a walk by the city void grounds that once were planned in the Berlin Hauptstadt competition, is possible to see the great value they still have for preserving a sort of places with a closer scale, in such a great City. Sometimes, the footprints confirm some of the ideas that were appointed in the competitors proposals. The inner city proposed by Piccinato is present now in very different places like “PrizessinGarten” or “Pfefferberg” which with their own specific character made from their inside uses, influence the whole neighborhood where they are sited. The ground beside the Reichstag, contrary to the idea of an open-air parliament presented by the Smithson, is today marked with the footprints of the rows of the visitors who want to climb up the new dome and take a view. Meanwhile footprints in other places such as the Mauerpark at Prenzlauerberg show us a rich and with various uses place, where citizens find them selves. Also the landscape is present in some public spaces of the city freely occupied as observatories. The intense relation with the river proposed by Korn and Rosenberg can be lived in the bridge Admiralbrücke where the spring solstice is in alignment with the Landwehrkanal and so people meet this day to presence the sunset. Footprints on both sides of the canal bring the observers to the meeting point. One of the few elevations existing in the city grounds, hosts footprints from the Grossbeerenstrasse and Tempelhofstrasse avenues that are self concentrated in the National Monument projected by Schinkel in 1822, in memoriam of the Independence war fallen. The observatory an octagonal base which crowns the ViktoriaPark, give to citizens a place to sit down all over the hill skirts and watch the city landscape and its skylines. This kind of city recognition was also the basis of the landscape proposed by Hans Scharoun for the competition.

Design of a generalized tool for the performance assessment under sail based on analytical, numerical and empirical results : a global sailing yacht meta-model

La evaluación de las prestaciones de las embarcaciones a vela ha constituido un objetivo para ingenieros navales y marinos desde los principios de la historia de la navegación. El conocimiento acerca de estas prestaciones, ha crecido desde la identificación de los factores clave relacionados con ellas(eslora, estabilidad, desplazamiento y superficie vélica), a una comprensión más completa de las complejas fuerzas y acoplamientos involucrados en el equilibrio. Junto con este conocimiento, la aparición de los ordenadores ha hecho posible llevar a cabo estas tareas de una forma sistemática. Esto incluye el cálculo detallado de fuerzas, pero también, el uso de estas fuerzas junto con la descripción de una embarcación a vela para la predicción de su comportamiento y, finalmente, sus prestaciones. Esta investigación tiene como objetivo proporcionar una definición global y abierta de un conjunto de modelos y reglas para describir y analizar este comportamiento. Esto se lleva a cabo sin aplicar restricciones en cuanto al tipo de barco o cálculo, sino de una forma generalizada, de modo que sea posible resolver cualquier situación, tanto estacionaria como en el dominio del tiempo. Para ello se comienza con una definición básica de los factores que condicionan el comportamiento de una embarcación a vela. A continuación se proporciona una metodología para gestionar el uso de datos de diferentes orígenes para el cálculo de fuerzas, siempre con el la solución del problema como objetivo. Esta última parte se plasma en un programa de ordenador, PASim, cuyo propósito es evaluar las prestaciones de diferentes ti pos de embarcaciones a vela en un amplio rango de condiciones. Varios ejemplos presentan diferentes usos de PASim con el objetivo de ilustrar algunos de los aspectos discutidos a lo largo de la definición del problema y su solución . Finalmente, se presenta una estructura global de cara a proporcionar una representación virtual de la embarcación real, en la cual, no solo e l comportamiento sino también su manejo, son cercanos a la experiencia de los navegantes en el mundo real. Esta estructura global se propone como el núcleo (un motor de software) de un simulador físico para el que se proporciona una especificación básica. ABSTRACT The assessment of the performance of sailing yachts, and ships in general, has been an objective for naval architects and sailors since the beginning of the history of navigation. The knowledge has grown from identifying the key factors that influence performance(length, stability, displacement and sail area), to a much more complete understanding of the complex forces and couplings involved in the equilibrium. Along with this knowledge, the advent of computers has made it possible to perform the associated tasks in a systematic way. This includes the detailed calculation of forces, but also the use of those forces, along with the description of a sailing yacht, to predict its behavior, and ultimately, its performance. The aim of this investigation is to provide a global and open definition of a set of models and rules to describe and analyze the behavior of a sailing yacht. This is done without applying any restriction to the type of yacht or calculation, but rather in a generalized way, capable of solving any possible situation, whether it is in a steady state or in the time domain. First, the basic definition of the factors that condition the behavior of a sailing yacht is given. Then, a methodology is provided to assist with the use of data from different origins for the calculation of forces, always aiming towards the solution of the problem. This last part is implemented as a computational tool, PASim, intended to assess the performance of different types of sailing yachts in a wide range of conditions. Several examples then present different uses of PASim, as a way to illustrate some of the aspects discussed throughout the definition of the problem and its solution. Finally, a global structure is presented to provide a general virtual representation of the real yacht, in which not only the behavior, but also its handling is close to the experience of the sailors in the real world. This global structure is proposed as the core (a software engine) of a physical yacht simulator, for which a basic specification is provided.

The Contribution of Agriculture, Forestry and other Land Use activities to Global Warming, 1990-2012

Date of Acceptance: 16/12/2014 Acknowledgements: This work was carried out with generous funding by the Governments of Germany (GCP/GLO/286/GER) and Norway (GCP/GLO/325/NOR) to the ‘Monitoring and Assessment of GHG Emissions and Mitigation Potential from Agriculture’ Project of the FAO Climate, Energy and Tenure Division. P. Smith is a Royal Society Wolfson Merit Award holder, and his input contributes to the University of Aberdeen Environment and Food Security Theme and to Scotland's ClimateXChange. J. House was funded by a Leverhulme Research Fellowship. The FAO Statistics Division maintains the FAOSTAT Emissions database with regular program funds allocated through Strategic Objective 6. © 2015 John Wiley & Sons Ltd.

Global warming in the twenty-first century: An alternative scenario

A common view is that the current global warming rate will continue or accelerate. But we argue that rapid warming in recent decades has been driven mainly by non-CO2 greenhouse gases (GHGs), such as chlorofluorocarbons, CH4, and N2O, not by the products of fossil fuel burning, CO2 and aerosols, the positive and negative climate forcings of which are partially offsetting. The growth rate of non-CO2 GHGs has declined in the past decade. If sources of CH4 and O3 precursors were reduced in the future, the change in climate forcing by non-CO2 GHGs in the next 50 years could be near zero. Combined with a reduction of black carbon emissions and plausible success in slowing CO2 emissions, this reduction of non-CO2 GHGs could lead to a decline in the rate of global warming, reducing the danger of dramatic climate change. Such a focus on air pollution has practical benefits that unite the interests of developed and developing countries. However, assessment of ongoing and future climate change requires composition-specific long-term global monitoring of aerosol properties.