El diagnóstico rápido de la mayoría de las enfermedades tiene una importancia vital para proporcionar el remedio adecuado y, por lo tanto, el control de problemas de salud. La detección rápida y selectiva de biomoléculas grandes, específicamente proteínas, es uno de los objetivos importantes en este campo. Las técnicas basadas en inmunoensayos son las más comúnmente utilizadas, aunque requieren un marcaje específico. Por lo general, estos métodos también requieren personal altamente capacitado y equipos complejos que se traduce en una metodología relativamente cara y lenta. En la presente tesis aportamos por primera vez un nuevo tipo de aptasensores potenciométricos de estado sólido basados en nanotubos de carbono que pueden detectar analitos grandes, como por ejemplo proteínas, de manera rápida (casi instantánea), selectiva, y sensible sin necesidad de marcaje químico. Los sensores desarrollados responden correctamente a la proteína analito (α-trombina humana) dentro de los niveles fisiológicos en el suero humano. / Rapid diagnosis of most illnesses has a vital importance for providing the appropriate cure and hence controlling public health concerns. Fast and accurate detection of large biomolecules, specifically proteins, is one of the major steps regarding the subject. Over recent years, several detection methodologies have been developed. However, almost all of the developed methods either required very complex techniques to be applied, or a long time to obtain the results. The most commonly used techniques were specific label requiring immunoassays. They generally require highly trained staff and complex equipment which results in an expensive and relatively slow methodology. With the present thesis we report a new type of label-free potentiometric solid state carbon nanotube based aptasensors that can detect large analytes, as case example proteins, in a rapid (almost instantaneous), selective and sensitive way, for the first time. The developed sensors successfully responded to analyte protein (human α-thrombin) within physiological human serum levels.

En aquesta present tesi doctoral s’han desenvolupat diferents mètodes analítics per a la determinació de la radionúclids individuals en mostres ambientals. Aquestes mostres estudiades són riques en radionúclids naturals i principalment, descendents de la cadena de decaïment del 238U, degut a que són subproductes o estan sota la influència de la indústria NORM. Aquest tipus de indústria treballa a partir de matèries primeres riques en radionúclids naturals, generant residus amb concentracions de radionúclids que poden augmentar de forma considerables les activitats de radiació naturals en el medi ambient de forma nociva per als éssers vius que l’habiten. Dintre del desenvolupament d’aquests mètodes necessaris per a realitzar un pretractament previ a la mesura de la mostra, per tal aconseguir els radionúclids individuals lliures de interferents, trobem diferents tècniques manuals i automatitzades. Aquests mètodes inclouen una combinació de tècniques de preconcentració i extracció selectives dels radionúclids d’interès que seran mesurats en diferents equips d’emissions radioactives. / In this present thesis I have developed different analytical methods for the determination of the individual radionuclides in environmental samples. These samples studied are rich in natural radionuclides and mainly descendants of the decay chain of 238U, because these samples are byproducts or are under the influence of the industry NORM. This type of industry works on the basis of raw materials rich in natural radionuclides, generating waste with concentrations of radionuclides that can increase considerably the natural radiation activities on the environment that can be harmful to living beings that inhabit it. Moreover in these methods developed in this thesis was included a pre-treatment prior to the measurement of the sample in order to achieve the individual radionuclides free of interference elements. We find the development of different classical and manual and automated techniques in all experimentation articles. These methods included a combination of preconcentration techniques and selective extraction resin of radionuclides of interest that will be measured in different radioactive emissions measure equipments.

Apèndix 5 escrit en anglès / The stated goal of this work is to develop a numerical explicit finite element method able to effectively address the strain localization process, discrete fracture and fragmentation process in quasi-brittle materials, involving highly nonlinear processes, such as, contact, non-linear geometric and material behavior. The description of the quasi-brittle material is based in the concepts of classical fracture mechanics plasticity theory and more specifically in the plastic damage model and its fundamental variable, the plastic damage variable, using traditional Mohr-Coulomb and Rankine models. Three types of algorithms were needed to reach our goal. A search contact algorithm, a combined penalty and Lagrange multipliers algorithm and adaptive local refinement algorithm. The search algorithms is necessary to determine the pairs of potential contacts with a reasonable computational cost; the second for establishing and compute the normal contact forces and the third one to allow not only a local refinement but also draw geometric modeling of discrete fracture. Moreover, given the inability of the irreducible linear elements formulation to capture collapse mechanisms, ultimate loads and strain localization processes, we opted to develop an explicit mixed finite element displacements and strain formulation in solid mechanics stabilized with variational sub-scales method, particularly using Orthogonal Sub-scales Method (OSS). This stabilized formulation avoids the LBB condition ( inf-sup condition) and allow to use elements with independent and equal interpolation order for displacements and strain fields. This formulation is one of the main original contribution of this work. Our methodology, called MEX-FEM, and developed to address problems in small and large deformations, not only it comes to enhance the traditional explicit time integration scheme, but also can get an improved stresses and strains field in a finite element mesh and also a better description of the strain localization virtually free of mesh-bias dependence without using tracking algorithms and accurate solutions in nearly incompressible problems.These numerical tools developed were integrated as a whole for our main goal: the discrete modeling fracture and fragmentation of quasi-brittle materials using finite element method. / El objetivo planteado en este trabajo es el desarrollo de una metodología numérica explícita de elementos finitos capaz de abordar de manera efectiva la simulación de procesos de localización, fractura discreta y fragmentación en materiales quasi-frágiles, envolviendo procesos altamente no lineales, como la no linealidad geométrica, la no linealidad del material y el contacto. La descripción del material quasi-frágil se basa en los conceptos de la mecánica de fractura clásica de la teoría de plasticidad y más específicamente en el modelo de daño plástico y su variable fundamental, la variable de daño plástico, empleando los modelos tradicionales de discontinuidad de Mohr-Coulomb y Rankine. Tres tipos de algoritmos fueron necesarias para trazar nuestro objetivo. Un algoritmo de búsqueda de contactos, un algoritmo combinado penalización y multiplicadores de Lagrange y un algoritmo de refinamiento local adaptable. La algoritmia de búsqueda es necesaria para determinar los pares de contactos potenciales con un coste computacional razonable; la segunda para establecer la condición de contacto y la tercera para permitir, no sólo un refinamiento local sino también trazar el modelado geométrico de la fractura discreta. Por otra parte, dada la incapacidad de los elementos lineales de la formulación irreducible para capturar mecanismos de colapso, cargas últimas y procesos de localización de deformaciones se optó por desarrollar la primera formulación mixta explícita de elementos finitos en desplazamientos y deformaciones dentro de la mecánica de sólidos estabilizada mediante el método de sub-escalas variacionales, particularmente en las sub-escalas ortogonales. Esta formulación estabilizada elude la condición LBB y permite obtener elementos con independiente e de igual orden de interpolación en el campo de los desplazamientos y deformaciones. Esta formulación constituye la principal aportación original de este trabajo. Nuestra metodología, bautizada como MEX-FEM, y desarrollada para abordar problemas en pequeñas y grandes deformaciones,no solamente viene a mejorar el esquema explicito tradicional de integración temporal de la ecuación de movimiento, sino que obtiene un mejor campo de tensiones y deformaciones en una malla de elementos finitos, una mejor descripción de los procesos de localización de deformaciones virtualmente libre de la dependencia de la malla y sin necesidad de emplear algoritmos de rastreo y una mejor solución a problemas cercanamente incompresibles. Todas estas herramientas numéricas desarrolladas fueron integradas en su conjunto para realizar nuestra principal meta: el modelado discreto la fractura y fragmentación de los materiales quasi-frágiles empleando el método de los elementos finitos.

In the last decades, the problem of the vibrations and the noise generated by the rolling and the undulatory wear has been approached by multiple research groups. These groups have developed studies with the intention of understanding and characterizing the vibrations problem, and its presented different analytical models. These models, for straight track sections, usually consider only half a track (single rail) in contact with a wheel suspended from the bogie through the primary suspension. Analytical models of half a track, although widely used, have the inconvenience of not considering the interaction between rails; that is to say the influence of the fluctuating contact force generated in a rail on the other rail vibration. Such interaction may occur through both the track structure and the axle of both wheels. Nowadays, and thanks to the computing power provided by the computers, research are leading to the development of numerical models enabling us to expand the fields of study such as the interaction between rails, the behavior of the wheel-rail contact in curved sections and the propagation in the surroundings. The main objective of the here presented thesis is to provide knowledge about the wheel-rail contact problem and the generation of vibrations that it causes, developing numerical models based on the Finite Element Method (FEM). Therefore we have used the ANSYS 13 program, analyzing all its capacities and using some of them in new ways. In order to analyze in detail the behavior of the interaction between a track and a railway vehicle, in the first part of this thesis we have developed and validated diverse numerical models of a railway track based on the finite elements method, oriented toward characterizing the vibrations generation. In the second part of the thesis we have developed a numerical model for the characterization of the set railway axle-primary suspension, meaning by railway axle the one composed of two wheels fixed to their axle. We have sought the simplest possible model fulfilling the necessary requirements to reproduce the set vibratory behavior. In the last part of the work, we combine the track numerical models with the model of the set axle-primary suspension to create a global model that allows simulating the mechanism of the wheel-rail contact force generation. To describe the contact we have used nonlinear Hertz theory. The results obtained when numerically integrating the equations of the global model using ANSYS transient analysis, are compared with the results provided by the analytical models of half a track in contact with a single wheel attached to the primary suspension. The comparison of these results for two types of tracks shows a very good conformity. With the numerical global model, we have analyzed the vibratory behavior of a classical ballasted track and two types of slab track, the DFF railway track and the Stedef twinblock railway track, all of them railway track types widely used in the Metropolitan Railroad of Barcelona. Finally, thanks to the results provided by the global model of contact, we conclude that the interaction between the mechanisms of the contact force generation present in both rails is significant, the interaction occurring mainly through the axle-wheels set. This result by itself justifies the need for numerical modeling of full track-railway axle contact. As a general conclusion we can say that the results demonstrate that the developed methodology is able to predict the time history of the normal contact force in different locations of the various studied track types. / En las últimas décadas, el problema de las vibraciones y el ruido generados por la rodadura y el desgaste ondulatorio ha sido abordado por múltiples grupos de investigación. Estos grupos han desarrollado estudios con la intención de comprender y caracterizar el problema de las vibraciones, y han presentado diferentes modelos analíticos. Dichos modelos, para tramos de vía rectos, suelen considerar solo media vía en contacto con una rueda suspendida del bogie por medio de la suspensión primaria. Los modelos analíticos de media vía, si bien han sido ampliamente utilizados, presentan el inconveniente de no considerar la interacción entre carriles; es decir la influencia de la fuerza fluctuante de contacto generada en un carril sobre la vibración en el otro carril. Esta interacción se puede producir tanto a través de la estructura de la vía como a través del eje de ambas ruedas. En la actualidad, y gracias a la potencia de cálculo que proporcionan los ordenadores, las investigaciones se dirigen al desarrollo de modelos numéricos que permitan ampliar los campos de estudio como por ejemplo la interacción entre carriles, el comportamiento del contacto rueda-carril en tramos curvos y la propagación al entorno. El objetivo principal de la tesis que se presenta es aportar conocimiento sobre el problema del contacto rueda-carril y la generación de vibraciones que comporta, desarrollando modelos numéricos basados en el Método de Elementos Finitos (FEM). Para ello se ha utilizado el programa ANSYS 13, analizando todas sus capacidades y utilizando algunas de ellas de forma novedosa. Con el fin de analizar con más detalle el comportamiento de la interacción entre una vía completa y un vehículo ferroviario, en la primera parte de esta tesis se han desarrollado y validado diversos modelos numéricos de vía completa basados en el método de elementos finitos, orientados a la caracterización de la generación de vibraciones. En la segunda parte de la tesis se ha elaborado un modelo numérico para la caracterización del conjunto eje ferroviario-suspensión primaria, entendiendo por eje ferroviario el formado por dos ruedas unidas con su eje. Se ha buscado el modelo más simple posible que cumple con los requerimientos necesarios para reproducir el comportamiento vibratorio del conjunto. En la última parte del trabajo, se combinan los modelos numéricos de vía con el modelo del conjunto eje-suspensión para crear un modelo global que permite simular el mecanismo de generación de la fuerza de contacto rueda-carril. Para describir el contacto se ha utilizado la teoría no lineal de Hertz. Los resultados obtenidos al integrar numéricamente las ecuaciones del modelo global mediante el análisis transitorio de ANSYS, se comparan con los resultados que proporcionan modelos analíticos de media vía en contacto con una única rueda sujeta a la suspensión primaria. La comparación de estos resultados para dos tipos de vía, muestra una muy buena concordancia. Con el modelo numérico global, se ha analizado el comportamiento vibratorio de una vía clásica sobre balasto y dos tipos de vía en placa, la vía DFF y la vía bibloque con riostra, todos ellos tipos de vía ampliamente utilizados en el Ferrocarril Metropolitano de Barcelona. Finalmente, gracias a los resultados proporcionados por el modelo global de contacto, se llega a la conclusión que la interacción entre los mecanismos de generación de la fuerza de contacto presentes en ambos carriles es significativa, produciéndose la interacción principalmente a través del conjunto eje-ruedas. Este resultado justifica por sí solo la necesidad de utilizar modelos numéricos de contacto vía completa-eje ferroviario. Como conclusión general cabe decir que los resultados obtenidos demuestran que la metodología desarrollada es capaz de predecir la historia temporal de la fuerza normal de contacto en diferentes localizaciones de los diversos tipos de vías estudiados / Depuis leurs débuts, les chemins de fer ont présenté le problème des vibrations et du bruit générés par le roulement. Ce problème trouve son origine principalement dans les fluctuations de la force de contact roue-rail, les fluctuations générées par les irrégularités que présente la bande de roulement des roues et par les irrégularités des rails, telles que la présence de joints et l'usure ondulatoire. Dans le cas des chemins de fer métropolitains, les vibrations et le bruit produisent un impact environnemental significatif en raison de leur proximité aux zones habitées. Les vibrations se propagent de la voie à la structure du tunnel, et de là vers les bâtiments voisins provoquant des nuisances, et dans des cas extrêmes, des dommages dans les bâtiments. En outre, il faut aussi garder à l'esprit que les vibrations provoquent aussi des problèmes de fatigue et d'usure dans le matériel roulant, un facteur critique pour la sécurité des voyageurs. Au cours des dernières décennies, le problème cité ci-dessus a été abordée par de nombreux groupes de recherche. Ces groupes ont mené des études dans le but de comprendre et caractériser le problème des vibrations générées par le roulement, et ont présenté divers modèles analytiques. Ces modèles, pour des sections de voies droites, ne considèrent généralement que demi-voie (un rail) en contact avec une roue suspendue du bogie au moyen de la suspension primaire. Les modèles analytiques de demi-voie, bien que largement utilisés, présentent l'inconvénient de ne pas considérer l'interaction entre les rails; à savoir l'influence de la force fluctuante de contact générée dans un rail sur la vibration dans l'autre rail. Cette interaction se produit tant à travers la structure de la voie comme à travers l'axe des deux roues. Actuellement, et grâce à la puissance de calcul que fournissent les ordinateurs, les recherches se dirigent vers le développement de modèles numériques qui permettent d'agrandir les champs d'étude comme par exemple l'interaction entre des rails, le comportement du contact roue-rail dans des tronçons courbes et la propagation à l'environnement. / Des de els seus inicis, els ferrocarrils han presentat el problema de les vibracions i el soroll generats pel rodolament. Aquest problema es produeix principalment per causa de les fluctuacions de la força de contacte roda-carril, fluctuacions generades per les irregularitats del perfil de les rodes i per les irregularitats del cap dels carrils, com ara la presència de juntes i el desgast ondulatori. En el cas dels ferrocarrils metropolitans, les vibracions i el soroll produeixen un impacte ambiental significatiu per la proximitat a zones habitades. Les vibracions es propaguen de la via a la infraestructura, que pot ser una base o un túnel, i d’ella als edificis propers causant molèsties i, en casos extrems, desperfectes en els edificis. A més, cal pensar que les vibracions originen problemes de fatiga i desgast en el material mòbil, factor a tenir en compte de cara a la seguretat dels passatgers. En les darreres dècades, el problema esmentat ha estat tractat per molts grups de recerca. Aquests grups han desenvolupat estudis per tal d’entendre i caracteritzar el problema de les vibracions generades pel rodolament, i han presentat diferents models analítics. Aquests models, pensats per a trams de via rectes, acostumen a considerar només mitja via en contacte amb una roda suspesa del bogie per mitjà de la suspensió primària. Els models analítics de mitja via, si bé han estat àmpliament emprats, presenten l’inconvenient de no considerar la interacció entre carrils; es a dir la influència de la força fluctuant de contacte generada en un carril sobre la vibració en l’altre carril. Aquesta interacció es pot produir tant a través de l’estructura de la via com a través de l’eix de les rodes. Actualment, i gràcies a la potència de càlcul que proporcionen els ordinadors, la recerca s’orienta cap el desenvolupament de models numèrics que permeten ampliar els camps d’estudi como ara la interacció entre carrils, el comportament del contacte roda-carril en trams en corba i la propagació a l’entorn. L’objectiu principal de la tesi que es presenta és aportar coneixement sobre el problema del contacte roda-carril i la generació de vibracions que comporta, desenvolupant models numèrics basats en el Mètode dels Elements Finits (FEM). Per això s’ha emprat el programa comercial ANSYS 13, analitzant totes les seves capacitats i fent servir algunes d’elles de forma inèdita. Amb la intenció d’analitzar en detall el comportament de la interacció entre una via sencera i un vehicle ferroviari, en la primera part de la tesi es desenvolupen i validen diversos models numèrics de via sencera basats en el Mètode dels Elements Finits, enfocats a la caracterització de la generació de vibracions. Els resultats obtinguts amb els models numèrics, presentats en forma de resposta freqüencial de la via, es comparen amb resultats de models analítics desenvolupats amb anterioritat, i també amb resultats experimentals obtinguts per a dos tipus de via. Per a la comprovació experimental, s’ha disposat de la col·laboració de l’empresa del Ferrocarril Metropolità de Barcelona. En la segona part de la tesi s’ha elaborat un model numèric per a la caracterització del conjunt eix ferroviari-suspensió primària, entenent com a eix ferroviari el conjunt format per dues rodes amb el seu eix. S’ha cercat el model més simple possible que compleix amb els requeriments necessaris per a reproduir el comportament vibratori del conjunt. En la darrera part del treball, es combinen els models numèrics de via amb el model del conjunt eix-suspensió per a obtenir un model global que permeti simular el mecanisme de generació de la força de contacte roda-carril. Per a descriure el contacte, s’ha emprat la teoria no lineal de Hertz. Els resultats obtinguts quan s’integren numèricament les equacions del model global mitjançant l’anàlisi transitori d’ANSYS, se comparen amb els resultats que proporcionen models analítics de mitja via en contacte amb una única roda fixada a la suspensió primària. Aquests models han estat desenvolupats per altres membres del grup de recerca GREVTAM del Departament d’Enginyeria Mecànica de la UPC dins del qual s’inscriu aquesta tesi. La comparació d’aquests resultats per a dos tipus de via mostra una molt bona concordança. Amb aquest model numèric global, s’ha analitzat el comportament vibratori d’una via clàssica sobre balast i dos tipus de via en placa, la via DFF i la via bibloc amb riosta, tots ells tipus de via molt emprats en el Ferrocarril Metropolità de Barcelona. Finalment, gràcies als resultats obtinguts amb el model global de contacte, s’ha arribat a la conclusió que la interacció entre els mecanismes de generació de la força de contacte presents en ambdós carrils és significativa, produint-se la interacció principalment a través del conjunt eix-rodes. Aquest resultat justifica per sí mateix la necessitat d’emprar models numèrics de contacte via sencera-eix ferroviari. Com a conclusió general cal dir que els resultats obtinguts demostren que la metodologia desenvolupada permet preveure la història temporal de la força normal de contacte en diferents localitzacions dels diferents tipus de via estudiats.

El Problema de Enrutamiento de Vehículos (VRP) y sus diferentes variantes básicas son un dominio ampliamente estudiado en la comunidad científica de optimización. Algunos estudios han utilizado combinaciones específicas de restricciones encontradas en la vida real para definir los emergentes VRP Enriquecidos. Este trabajo aborda la integración de heurísticas, probabilidad sesgada, simulación, técnicas de computación distribuida & paralelas, y programación con restricciones. Los enfoques propuestos han solucionado algunas variantes del VRP: en primer lugar, las familias deterministas: VRP con flotas Heterogéneas (HVRP), VRP con flotas Heterogéneas y costo variable (HVRP-V), VRP con flota Heterogénea y Múltiples viajes (HVRPM), VRP con matriz de costo Asimétrica (AVRP), VRP con flota Heterogénea y matriz de costo Asimétrica (HAVRP), VRP con ventanas de Tiempo (VRPTW), y VRP Distancia limitada (DCVRP); en segundo lugar, las familias de naturaleza estocástica: VRP con Demandas estocásticas (VRPSD), y Problemas de Inventario y Enrutamiento de Vehículos con Demandas estocásticas (IRPSD). Una extensa revisión bibliográfica se ha realizado para cada una de estas variantes. Un primer enfoque propone la combinación de una aleatorización sesgada con heurísticas clásicas para la solución de problemas deterministas. Un segundo enfoque se centra en la combinación de heurísticas aleatorias con simulación (Simheuristics) para ser aplicados sobre los problemas estocásticos comentados. Por último, se propone un tercer enfoque basado en el trabajo conjunto de heurísticas aleatorias con programación de restricciones para resolver varios tipos de problemas de enrutamiento. Los algoritmos heurísticos desarrollados han sido aplicados en varios casos de referencia --entre ellos, dos estudios de casos reales de distribución en España-- y los resultados obtenidos son, en general, prometedores y útiles para los decisores. / The Vehicle Routing Problem (VRP) is a well known domain in optimization research community. Its different basic variants have been widely explored in the literature. Some studies have considered specific combinations of real-life constraints to define the emerging Rich VRP scopes. This work deals with the integration of heuristics, biased probability, simulation, parallel & distributed computing techniques, and constraint programming. The proposed approaches are tested for solving some variants of VRPs, namely, first, the deterministic families: Heterogeneous VRP (HVRP), Heterogeneous VRP with Variable cost (HVRP-V), Heterogeneous fleet VRP with Multi-trips (HVRPM), Asymmetric cost matrix VRP (AVRP), Heterogeneous fleet with Asymmetric cost matrix VRP (HAVRP), VRP with Time Windows (VRPTW), and Distance-Constrained VRP (DCVRP); second, the stochastic nature families: VRP with Stochastic Demands (VRPSD), and Inventory Routing Problem with Stochastic Demands (IRPSD). An extensive literature review is performed for all these variants, focusing on the main contributions of each work. A first approach proposes a biased-randomization of classical heuristics for solving the deterministic problems addressed here. A second approach is centered on the combination of randomized heuristics with simulation (Simheuristics) to be applied on the commented stochastic problems. Finally, a third approach based on the joined work of randomized heuristics with constraint programming is proposed to solve several types of routing problems. The developed heuristic algorithms are tested in several benchmark instances --between these, two real-life case studies in Spain are considered-- and the results obtained are, on average, highly promising and useful for decision makers.