Esta Tesis Doctoral analiza las distintas metodologías existentes para el análisis a fatiga de uniones soldadas, las valida y las aplica al dimensionamiento de una torre eólica real. Como se verá a lo largo de este trabajo, existe un gran número de metodologías de análisis a fatiga, muchas de ellas con orígenes en industrias particulares, y cuya consistencia metodológica no está clara. Por ello, no resulta evidente qué metodologías son adecuadas en el diseño a fatiga de la torre eólica, cuáles generan resultados satisfactorios y cuáles no. El estudio comprende un programa experimental que trata de validar su aplicación para el dimensionamiento de soldaduras a tope. Una vez realizados tanto el análisis como la validación, se aplican los resultados obtenidos al dimensionamiento de una torre eólica real, de manera que se optimice su diseño estructural a fatiga sin que ello vaya en perjuicio de su integridad estructural. / It analyzes the different methodologies for fatigue analysis of welded joints, validates and applies them to the sizing of a real wind tower. As discussed throughout this work, a large number of methodologies for fatigue analysis, many of them with backgrounds in particular industries, and whose methodological consistency is unclear. Therefore, it is not clear what methodologies are appropriate in the fatigue design of a wind tower, which generate successful results and which don’t. The study includes an experimental program that attempts to validate their application for sizing butt welds. After performing both analysis and validation, the results are applied to the dimensioning of a real wind tower, so as to optimize their structural design in fatigue without being prejudicial to their structural integrity.

La aleación Ti6Al4V es el biomaterial más utilizado para el reemplazo de tejidos duros, debido a su alta biocompatibilidad y a sus propiedades mecánicas. Sin embargo, al ser bioinerte no se une directamente con el hueso. Un recubrimiento de vidrio bioactivo permite un enlace directo con el hueso al precipitar hidroxiapatita (HCA) y en esta tes is doctoral se estudia el comportamiento mecánico bajo fuerzas Hertzianas de estos recubrimientos. Inicialmente se estudia un recubrimiento monocapa no bioactivo y posteriormente un recubrimiento bicapa con capa externa bioactiva y capa interna formada por el monocapa no bioactivo. La capa interna tiene un alto contenido de SiO2 para garantizar la integridad mecánica, mientras la capa externa tiene un bajo contenido de SiO2 y partículas de hidroxiapatita sintética. Cuando se aplican fuerzas de contacto monotónicas aparecen tres daños frágiles (fisuras anillo, cono y radial)seguidos por la delaminación del recubrimiento. Estos daños están influenciados por la deformación plástica del substrato, lo cual fue corroborado por comparación con vidrios monolíticos de características iguales al recubrimiento. Para el contacto estático y cíclico sobre el recubrimiento monocapa se utilizó la fisura anillo como criterio de daño. El recubrimiento se degrada bajo contacto estático debido a la corrosión bajo tensión, mientras la degradación bajo carga cíclica, observada por primera vez en éste material, se atribuye a un mecanismo de reducción del apantallamiento que ejercen in icialmente las microfisuras alrededor de la punta de las fisuras pre-existentes. El carácter sinterizado del recubrimiento permite la existencia de las microfisuras en los bordes de las partículas. La formación de la fisura anillo bajo cargas tanto estáticas como cíclicas fue racionalizada a partir de las leyes de crecimiento de fisura. El primer daño en la capa externa del recubrimiento bicapa por contacto monotónico es también la fisura anillo. Ésta capa tiene menor resistencia a la fisuración anillo debido a su menor tenacidad de fractura y las mayores tensiones residuales térmicas, y se degrada bajo contacto estático y cíclico según los mismos mecanismos observados en el recubrimiento monocapa. Sin embargo, la capa externa sufre una mayor degradación bajo ambos tipos de carga, tal que, bajo carga estática, se degrada máspor su diferente composición química y por sus mayores tensiones residuales térmicas, mientras que bajo carga cíclica, la mayor degradación se debe a las diferencias microestructurales y a la mayor microfisuración asociada a las tensiones residuales térmicas. La comparación entre la respuesta al contacto monotónico, estático y cíclico en aire , del recubrimiento monocapa y de la capa externa del bicapa, demuestran la mayor resistencia de la capa interna y, por lo tanto, verifican la validez del concepto de material gradiente a partir del cual se diseñó el recubrimiento bicapa. Los ensayos de contacto sobre el recubrimiento bicapa en fluido fisiológico simulado se realizaron después de 2 meses de incubación. El contacto monotónico produjo una huella debida, tanto a la baja tenacidad como a la baja densidad de la HCA. La proyección del área dañada usada como criterio de daño para los ensayos estáticos y cíclicos, mostró la degradación del recubrimiento bajo ambos tipos de carga. La degradación por contacto cíclico fue superior debido a la participación de otros mecanismos que se suman a la corrosión bajo tensión que actúa durante el contacto estático. La evolución del daño bajo contacto estático y cíclico muestra la mayor tolerancia a medida que el daño avanza hacia el substrato. Esta característica es coherente con el comportamiento observado por comparación de la respuesta al contacto monotónico, estático y cíclico en aire entre el recubrimiento monocapa y la capa externa. / Ti6Al4V alloy is the biomaterial most widely used for hard tissue replacement due to its high biocompatibility and its mechanical properties. However, it is bioinert and, therefore, does not bond directly with the bone. A bioactive glass coating allows a direct bond with the bone because of the precipitation of hydroxycarbonate apatite (HCA), and the mechanical behaviour under Hertzian forces of these coatings is studied in this doctoral thesis. The research is first addressed to a non-bioactive monolayer glass coating and later to a bilayer glass coating in which the inner layer is the same as the previous one and the outer layer is bioactive. The inner layer has a higher SiO2 content in order to ensure the mechanical stability, and the outer layer has a lower SiO2 content together with synthetic hydroxyapatite to ensure the bioactivity. The response to monotonic contact loading of the monolayer coating presents three brittle damages (ring, cone and radial cracks) and delamination of the coating. These damages are influenced by the plastic deformation of the substrate which was verified by comparison with the damage in monolithic glasses with the same composition. The ring crack was used as damage criteria for the static and cyclic contact tests. The coating is degradated under static contact due to stress corrosion, while the degradation under cyclic contact, observed by the first time in this kind of materials, is attributed to a mechanism of reduction of the shielding initially present due to a microcracked zone around the crack tip of the pre-existent cracks. The existence of microcracks at the border of the glass particles is possible due to the sintered character of the coating. The ring cracking under both static and cyclic contact was rationalized with the aid of sub-critical crack growth laws. Ring cracking is also the first damage in the outer layer of the bilayer coating during monotonic contact.This outer layer is less resistant to ring cracking due to both its lower fracture toughness and the higher thermal residual stress and it is degraded under static and cyclic contact loading according to the same mechanisms observed for the monolayer coating. The outer layer suffers a stronger degradation under both kinds of loading. The lower resistance under static contact is due to both its different chemical composition and its higher thermal residual stress, while the stronger degradation under cyclic contact is the consequence of both a different microstructure and more severe microcracking due to a higher thermal residual stress. The comparison of the response to monotonic, static and cyclic contact loading in air between the monolayer coating and the outer layer of the bilayer showed a higher resistance of the inner layer, which confirms the validity of the graded material concept form which the bilayer coating was designed. The contact tests of the bilayer coating in simulated body fluid were performed after 2 months of incubation to allow precipitation of HCA. The monotonic contact loading produces a residual impression in the coating due to both the low fracture toughness and the low density of the HCA layer. The projection of the damaged area used as damage criteria to study the response under static and cyclic contact loading, showed degradation under both kinds of loads. Degradation under cyclic contact loading was stronger due to existence of other mechanisms rather than the stress corrosion effect which occurs during static contact. The evolution of damages under static and cyclic contact loading showed the increase of the damage tolerance as the contact approaches to the substrate. This behaviour is consistent with the results of the comparison between the response of the monolayer coating and the outer layer of the bilayer to monotnic, static and cyclic contact loading in air.

El objetivo fundamental de esta tesis ha sido la elaboración de un modelo elastoplástico para suelos no saturados. Con este fin se ha recopilado resultados experimentales descritos en diversas referencias y se han realizado ensayos de laboratorio utilizando un equipo triaxial hidráulico automatizado específicamente desarrollado para este caso. Los ensayos se han llevado a cabo con un caolín de baja plasticidad y con una mezcla de este caolín y una arcilla expansiva. Las trayectorias tensionales seguidas han incluido diferentes subtramos en los que se han variado según el caso la tensión esférica la succión y la tensión de corte. Entre los aspectos estudiados en estos ensayos se pueden resaltar la dependencia del estado del suelo con la trayectoria tensional seguida los colapsos e hinchamientos del suelo al variar la succión los estados de sobre consolidación producidos ante incrementos de la tensión esférica y de la succión las leyes mas adecuadas para modelar la variación del volumen especifico y los estados de rotura. A partir del conjunto de resultados experimentales obtenidos se ha elaborado un modelo elastoplástico que reproduce los comportamientos característicos de suelos no saturados. Este modelo consta de tres superficies de fluencia con sus respectivas leyes de fluencia y de rigidización. Aplicando este modelo se han comparado sus predicciones con algunos de los resultados experimentales obtenidos en esta tesis y con otros procedentes de varias referencias habiéndose comprobado una correcta correlación.

En aquest treball s'ha realitzat una anàlisi de la junta T-bolt aplicada a la unió de laminats gruixuts amb elements metàl·lics. Més concretament, l'estudi es centra en el tipus de juntes T-bolt emprades en la unió entre les pales i la boixa de grans aerogeneradors, que constitueix una de les principals aplicacions d'aquest tipus de junta.En primer lloc, s'ha realitzat una anàlisi simplificada dels factors que influeixen al comportament de la junta, a partir del qual es justifica la necessitat de realitzar un estudi en profunditat dels estats d'esforços presents al laminat a la proximitats de la junta, i d'estudiar la seva resistència enfront dels diversos modes de trencament possibles.El següent punt desenvolupat és l'anàlisi d'esforços al laminat, per la qual cosa s'ha emprat un model tridimensional d'elements finits de la junta. Primerament, s'han analitzat els esforços per una geometria típica sota tres situacions de càrrega diferents, i s'ha determinat l'evolució de l'àrea de contacte entre el buló i el laminat. A continuació s'ha realitzat una comparació entre la distribució d'esforços de la T-bolt i la que presenten les juntes amb encavalcament. Finalment, s'ha analitzat la influencia de la curvatura del laminat en els resultats.Per a la determinació de la resistència del laminat a la zona de la junta, un dels obstacles principals consisteix en que, als dissenys normals de la T-bolt, el pern trenca molt abans que s'assoleixi la càrrega de trencament del laminat en algun dels seus modes possibles. Per aquest motiu s'ha hagut de dissenyar un utillatge especial que permetés introduir les càrregues necessàries. S'han realitzat assaigs per dos materials diferents, forçant per cada un d'ells el trencament en tensió neta i compressió local.Finalment, s'ha demostrat que és possible realitzar una predicció força acurada de la càrrega de trencament del laminat de la T-bolt, emprant com a dades de partida, per una banda, les càrregues de trencament a tensió neta i compressió local del laminat i, per l'altra, les distribucions d'esforços de la junta que es vol analitzar i de la proveta emprada per estimar els paràmetres anteriors.S'observa que el marge de seguretat per al trencament del laminat a les juntes T-bolt emprades actualment a la indústria eòlica és molt elevat (entre 3.5 i 5), el que indica que hi ha un cert marge per a la optimització de l'espessor del laminat, sempre que es consideri admissible l'aparició d'esquerdes a la matriu. / En el presente trabajo, se ha realizado un análisis de la junta T-bolt aplicada a la unión de laminados gruesos con elementos metálicos. Más concretamente, el estudio se centra en el tipo de juntas T-bolt utilizadas en la unión entre las palas y el buje de aerogeneradores de gran tamaño, que constituyen una de las principales aplicaciones de este tipo de juntas.En primer lugar, se ha realizado un análisis paramétrico simplificado de los diferentes factores que influyen en el comportamiento de la junta, a partir del cual se justifica la necesidad de realizar un estudio en profundidad de los estados de esfuerzos presentes en el laminado en las proximidades de la junta, y de estudiar su resistencia frente a los distintos modos de fallo posibles.El siguiente punto desarrollado es el análisis de esfuerzos en el laminado, para lo cual se ha utilizado un modelo tridimensional de elementos finitos de la junta. En primer lugar se han analizado los esfuerzos para una geometría típica bajo tres situaciones de carga distintas, y se ha determinado la evolución del área de contacto entre el bulón y el laminado. A continuación se ha realizado una comparación entre la distribución de esfuerzos de la T-bolt y la que presentan las juntas a solape. Finalmente, se ha analizado la influencia de la curvatura del laminado en los resultados.Para la determinación de la resistencia del laminado en la zona de la junta, uno de los obstáculos principales consiste en que, en los diseños típicos de la T-bolt, el vástago rompe mucho antes de que se alcance la carga de rotura del laminado en alguno de sus distintos modos. Por este motivo, se ha tenido que diseñar un utillaje especial que permitiera la introducción de las cargas necesarias. Se han realizado ensayos para dos materiales distintos, forzando, para cada uno de ellos, el fallo en tensión neta y compresión local.Finalmente, se ha demostrado que es posible predecir, con una buena aproximación, la carga de rotura del laminado de la T-bolt, utilizando como datos de partida las cargas de rotura del laminado en tensión neta y compresión local, y las distribuciones de esfuerzos de la junta a analizar y de la probeta utilizada para estimar los parámetros anteriores.Se observa que los márgenes de seguridad respecto al fallo del laminado en las juntas T-bolt utilizadas actualmente en la industria eólica es muy elevado (entre 3.5 y 5), lo que indica que existe un cierto margen para la optimización del espesor del laminado, siempre que se considere admisible la aparición de grietas en la matriz. / An analysis of the T-bolt joint, applied to the joining of thick laminates with metallic parts, has been carried out. The study is particularly focused on the kind of T-bolt joints used in the blade root - hub attachments of large wind turbines, which is one of the major applications of these joints.First, a simplified analysis of the factors affecting the joint behavior has been performed. From this simple analysis, it has been shown the necessity of in-depth studies of both the stress states of the laminate in the vicinity of the joint, and the strength of the laminate for its different failure modes.The next point that has been developed is the stress analysis of the laminate, which has been performed by means of a three-dimensional finite element model of the joint. First of all, the stresses and strains of a typical joint geometry under three different load situations have been calculated, and the evolution of the contact area between the nut and the laminate has been estimated. Next, a comparison between the stress states of the T-bolt joint and those of a double-lap joint has been carried out. Finally, the influence of the laminate curvature on the stress distributions has been evaluated.One of the main obstacles to the determination of the strength of the laminate in the joint zone is that, in the usual T-bolt designs, the stud fails far before the laminate has reached any of its ultimate loads. Therefore, special fixtures have been designed that are able to transfer the necessary loads to the joint. Tests have been performed using specimens made of two different laminates which have been designed to fail either in the net tension or the bearing mode.Finally, it has been shown that it is possible to accurately predict the laminate failure load using as input data, on one hand, the net tension and bearing strengths of the laminate, and, on the other, the stress distributions of both the T-bolt and the test specimen used in the estimation of the laminate strengths. It has been also shown that the safety factors against the laminate failure in a typical T-bolt design used nowadays in the wind turbine industry is quite high (between 3.5 and 5), which shows that there is still some margin for the optimization of the laminate thickness, providing that the presence of some matrix cracks is allowed.

Stroke and traumatic brain injuries are common causes of disability, with loss of nerve tissue due to secondary degeneration, gliosis, and often the formation of cavities that inhibit neural cell growth. Recent attempts at neural cell regeneration have therefore focused on the use of engineering materials that mimic the adult neural stem cell (NSC) niche, in order to establish an adequate environment for neurogenesis and differentiation. However, because the adult mammalian NSC niche has limited regenerative capacities, effective regeneration of the central nervous system (CNS) requires the reconstitution of its embryonic counterpart. Radial glia are bipolar cells with 1-2 µm-thick shafts that form a palisade and span the entire CNS parenchyma serving as substrates for neuronal migration. They contain high levels of glycogen and release L-lactate. Cerebral energy metabolism is a highly compartmentalized and complex process. The adult brain normally uses glucose as its primary energy source. However, before and immediately after birth, lactate is also an important energy source because at this time the level of glucose is low. Over the past decade, a role for lactate in fuelling the energetic requirements of neurons has emerged, not only during the perinatal period but also in adulthood. Initial evidence suggests that the metabolisms of NSC, neurons and astrocytes differ and that energy-dependent processes may influence the balance between NSC self-renewal and differentiation. The main goal of this thesis was to design an implantable biomaterial scaffold that reproduces the organization and supportive function of embryonic radial glia. Here we tested two types of poly L/DL lactic acid (PLA95/5 and PLA70/30), a biodegradable material permissive for neural cell adhesion and growth, as materials for nerve regeneration. PLA95/5 films were highly crystalline, stiff (GPa), and did not degrade significantly in the period analyzed in culture. In contrast, PLA70/30 films were more amorphous, softer (MPa) and degraded faster, releasing significant amounts of lactate into the medium. PLA70/30 performed better than PLA95/5 for primary cortical neural cell adhesion, proliferation and differentiation, maintaining the pools of neuronal and glial progenitor cells in vitro. Finally, for in vivo studies, we designed 3D cell-free biomimetic scaffolds consisting of electrospun PLA70/30 nanofibers. Radially aligned scaffolds released L-lactate and reproduced the 3D organization and supportive function of radial glia. These scaffolds implanted into cavities made in mouse brain fostered complete implant vascularization, sustained neurogenesis, and allowed the long-term survival and integration of the newly generated neurons. Our results suggest that PLA70/30 scaffolds mimic some of the physical and biochemical characteristics of the NSC niche. Overall, our results show that the endogenous CNS is capable of regeneration through the in vivo dedifferentiation induced by biophysical and metabolic cues, with no need for exogenous cells, growth factors, or genetic manipulation. / Las lesiones cerebrales son causas comunes de discapacidad que conllevan pérdida de tejido nervioso debido a la degeneración secundaria, la gliosis, y con frecuencia la formación de cavidades que inhiben el crecimiento neuronal. Recientemente, las terapias neuroregenerativas se han centrado en el uso de la ingeniería de materiales. Durante el desarrollo del SNC, las células de glia radial son las principales CMN que generan neuronas y glía y son retenidas en el cerebro adulto de especies que regeneran. Durante la neurogénesis temprana, los vasos sanguíneos invaden el SNC e interactúan con las CMN, dando lugar al nicho neurovascular. En el cerebro adulto, la glia radial puede ser recuperada al menos en cierta medida después de una lesión, lo que indica un intento endógeno en la reconstitución del nicho embrionario. Las células de glía radial son bipolares con 1-2 micras de espesor que forman una empalizada que abarca todo el parénquima del SNC sirviendo como sustrato para la migración neuronal. Esta glía radial contiene altos niveles de glucógeno liberando al exterior L-lactato. El metabolismo energético cerebral es un proceso altamente compartimentado y complejo. El cerebro adulto normalmente usa glucosa como fuente de energía primaria. Sin embargo, antes e inmediatamente después del nacimiento, el lactato es también una fuente de energía importante, debido a que los niveles de glucosa son bajos. En la última década, se ha visto que el lactato juega un papel importante como factor energético para las neuronas, no sólo durante el período perinatal sino también en la edad adulta. Nuevas evidencias sugieren que el metabolismo de las CMN, neuronas y astrocitos son diferentes y que los procesos dependientes de energía pueden influir en el equilibrio entre la auto-renovación y diferenciación de las CMN. El objetivo principal de esta tesis ha sido diseñar un andamio implantable que reprodujera la organización y función de soporte de la glía radial embrionaria. Para ello, hemos probado dos tipos de ácido poli L/DL láctico (PLA95/5 y PLA70/30), material biodegradable y permisivo para la adhesión y el crecimiento neuronal. Las películas de PLA95/5 eran cristalinas, rígidas (GPa), y no se degradaban significativamente en el período analizado durante el cultivo in vitro. Sin embargo, las películas de PLA70/30 eran más amorfas, menos rígidas (MPa) y se degradaban más rápido, liberando cantidades significativas de lactato en el medio. A diferencia del PLA95/5, en el 70/30 había una mejor adhesión neuronal, así como la proliferación y el mantenimiento de los progenitores neuronales y gliales in vitro. Finalmente, para los estudios in vivo, diseñamos andamios biomiméticos en 3D libres de células que consistían en nanofibras de PLA70/30. Los andamios radialmente alineados reproducían la organización 3D y la función de apoyo de la glía radial. Estos andamios implantados en la corteza cerebral del ratón ayudaron a la completa vascularización del implante, permitiendo la supervivencia y la integración a largo plazo de las neuronas recién generadas. Nuestros resultados sugieren que los andamios de PLA70/30 imitan algunas de las características físicas y bioquímicas del nicho neurovascular. En conclusión, nuestros resultados muestran que el SNC es capaz de regenerar de manera endógena a través de la des-diferenciación in vivo inducida por las señales biofísicas y metabólicas, sin necesidad de células exógenas, factores de crecimiento o manipulación genética

En esta Tesis se ha estudiado fundamentalmente el efecto que la introducción de una carga rígida formada por microesferas de vidrio tiene sobre las propiedades mecánicas y sobre la fractura de los compuestos poliestireno-microesferas.El módulo elástico a tracción aumenta con el porcentaje de microesferas pudiéndose aplicar los modelos de isotensión que consideran la ausencia de adhesión entre la matriz y la carga, observada mediante el análisis fractográfico por MEB de las probetas ensayadas. Por la misma causa, la resistencia a la tracción disminuye con el porcentaje de carga. La adición de microesferas potencia los mecanismos de deformación predominantes en tracción, sucediéndose la nucleación de microcavidades, su crecimiento, y la aparición y generalización del crazing.Una de las características más relevantes de los compuestos ha sido el gran aumento de la deformación a cedencia y a la rotura que viene motivado por la aparición de crazing múltiple y extensivo, alcanzándose el mayor nivel de deformación con un 15 % en peso de microesferas, porcentaje que representa el límite de saturación de la matriz.Las propiedades mecánicas a alta velocidad de deformación se han descrito satisfactoriamente a través de la técnica de impacto por caída de dardo siendo el mejor modelo el de flexión de baja energía. La tensión de inicio de fallo por impacto se ha situado en 45 Mpa mientras que el nivel de tensión para provocar la separación de fases se ha cuantificado en 18 MPa.En fractura las partículas provocan la estabilización de la propagación de grieta. Cuando hay muy pocas microesferas (<6% peso) predomina el carácter inestable y se puede aplicar el criterio de la LEFM. La composición del 6% tiene un comportamiento de transición estable-inestable, mientras que en porcentajes superiores de carga se ha observado fractura estable hallándose el valor de JIC. Con la inclusión de cantidades moderadas de partículas ( 10 % en peso) se consigue un aumento paralelo de los parámetros de fractura KIC, GIC (JIC) y del módulo elástico. Los mecanismos de refuerzo que causan el incremento son: La desviación del plano de la grieta, la interacción frente de grieta - partícula por el fenómeno de anclaje-arqueo de la misma y la promoción del crazing múltiple. En el rango de altas velocidades de deformación la presencia de microesferas mejora las características de fractura aunque es menor la importancia de los procesos de absorción energética derivados de la presencia de las partículas.A través de un modelo de elementos finitos se ha estimado el valor del módulo elástico y del coeficiente de Poisson de las mezclas, encontrando una gran similitud entre los valores experimentales y los teóricos así calculados. Por otra parte a partir de las distribuciones de tensiones entorno de las inclusiones se ha establecido que el proceso de fractura se inicia con la separación de fases entorno del polo de la esfera para posteriormente generar una grieta interfacial que discurre hasta un ángulo de 70 º para a partir de ese instante iniciarse y crecer el crazing en el sentido perpendicular a la tensión aplicada.

The building sector is moving towards new approaches to energy efficient design, which includes not only the improvement of the thermal performance of the building envelope but also the reduction of the embodied energy. The development of bio-based thermal insulation materiaIs contribute to such approaches as their use may result in a reduction of both energy demand and embodied energy, together with other beneficial environmental aspects such as the reduction of non-renewable resources depletion and waste generation. Currently there are several commercial examples of bio-based materiaIs , most based on industrial fibres (flax, hemp, kenaf, etc.), wood or sheep's wool. The use of food-crop by-products is less common, but might be an interesting alternative for countries such as Spain where industrial fibre production is very marginal. These by-products, especially cereal straw, have been used and are increasingly used in building as reinforcement in composites , deck finishes , interior partitions or structural closures. In this research their use in building thermal insulation is proposed. On a first stage of the research, the aim is to explore the possibility of using some crop by-products available in Spain for the development of rigid thermal insulation boards. The availability of the raw materiaIs is evaluated and contrasted to two different forecast scenarios of demand. As a result, three widely available crop by-products (barley straw, corn pith and rice husks) are chosen to develop experimental composites using two natural binders (corn starch and sodium alginate). Both the raw materials and the composites made from them are characterised. Attention is focused on the physical, thermal and hygroscopic properties of the materiaIs, specially their porous structure, density, thermal conductivity and diffusivity, water vapour sorption and water vapour diffusivity. Results are evaluated against commercially available bio-based materials and other conventional insulation materials. Moreover, the fire reaction of the composites is investigated. The composite based on corn pith and alginate presented several favourable properties such as low density and low thermal conductivity, significant moisture adsorption and low fire contribution and it was therefore subject of a further investigation. Thus, on a second stage, the corn pith alginate composite is investigated. The dependence of the main thermal and hygroscopic properties to moisture content is analysed together with its hygrothermal performance. Moreover, its formulation is optimised in two different aspects: fire reaction and resistance to mould growth. In the case of fire, the analysis was mainly focused on the smouldering process. lt is found that the incorporation of boric acid results in a speed reduction of the combustion process, while ammonium polyphosphate increases the onset temperature. Lime has shown to effectively protect the corn pith granulates from mould growth. Finally, the hygrothermal performance of ETIC -like Systems incorporating the new material is evaluated and compared to mainstream materials. / El sector de la construcción se interesa cada vez más por la eficiencia energética de la edificación, lo que incluye no sólo la mejora del comportamiento térmico de los cerramientos, sino también la reducción de la energía incorporada en los materiales. El desarrollo de eco-materiales aislantes térmicos puede contribuir a este fin, ya que su uso puede conllevar tanto una reducción de la demanda energética corno de la energía incorporada, además de otros beneficios como la reducción del uso de recursos no renovables y de la generación de residuos. Actualmente existen diversos eco-materiales disponibles en el mercado, la mayoría a base de fibras vegetales industriales (lino, cáñamo. kenaf, etc.), madera o lana de oveja. El uso de subproductos agrícolas es menos común, pero podría ser una alternativa interesante para países como España, donde la producción de fibra industrial es muy margínal. Estos subproductos, especialmente la paja de cereales, se han utilizado y se utilizan cada vez más en la construcción como refuerzo en materiales compuestos, acabados de cubierta, particiones interiores o cerramientos estructurales. En esta investigación se propone su uso como aislamiento térmico. En una primera etapa de la investigación, el objetivo es explorar la posibilidad de utilizar algunos de los subproductos agrícolas disponibles en España para el desarrollo de paneles aislantes rígidos . Se ha evaluado la disponibilidad de las materias primas contrastándola con dos posibles escenarios de demanda. Tres de los subproductos disponibles (paja de cebada, médula de maíz y cascarilla de arroz) se seleccionaron para el desarrollo de materiales compuestos experimentales que se aglutinaron con dos tipos de polímeros naturales (almidón de maíz y alginato de sodio). Tanto las materias primas como los materiales compuestos fueron caracterizados analizándose sus propiedades físicas, térmicas e higroscópicas, en concreto su estructura porosa, su densidad, su conductividad y difusividad térmicas, la sorción y la dífusividad al vapor de agua de los materiales. Los resultados se contrastaron con los de otros materiales convencionales. Por otra parte, se analizó la reacción al fuego de los materiales compuestos . El compuesto basado en la médula de maíz y alginato presentó diversas propiedades favorables tales como una baja densidad y una baja conductividad térmica, una capacidad de adsorción de vapor de agua significativa y una baja contribución a la propagación del fuego, por lo que ha sido objeto de una investigación ulterior. Por lo tanto, en una segunda etapa, se ha estudiado en más profundidad el compuesto a base de médula de maíz y alginato. Se ha analizado la dependencia de las principales propiedades térmicas e higroscópicas con el contenido de humedad del material, así como su comportamiento higrotérmico. Por otra parte, se ha tratado de mejorar su comportamiento en dos aspectos importantes: su reacción al fuego y su resistencia al ataque biótico. Para evaluar el primer aspecto se analizó principalmente el proceso de smouldering. Se observó que la incorporación de ácido bórico reduce la velocidad de avance del frente de combustión, mientras que el polifosfato de amonio es capaz de impedir el smouldering hasta ciertas temperaturas. Para la evaluación del segundo aspecto se analizó la afectación de los materiales expuestos a distintos niveles de humedad y temperatura comprobando que la cal es capaz de incrementarsignificativamente la resistencia al ataque biótico de los materiales. Finalmente, se ha evaluado el rendimento higrotermtrico de los Sistemas SATE que incorporan el nuevo material comparándolo con el de otros materiales convencionales / El sector de la construcció s'interessa cada vegada més per l'eficiència energètica de l'edificació, cosa que inclou no només la millora del comportament tèrmic dels tancaments, sinó també la reducció de l'energia incorporada en els materials. El desenvolupament d'eco-materials aïllants tèrmics pot suposar una bona contribució a aquest fi, ja que el seu ús pot comportar tant una reducció de la demanda energètica com de l'energia incorporada, a més d'altres beneficis com la reducció de l'ús de recursos no renovables i de la generació de residus. Actualment existeixen diversos eco-materials disponibles al mercat, la majoria a base de fibres vegetals industrials (lli, cànem, kenaf, etc.), fusta o llana d'ovella. L'ús de subproductes agrícoles és menys comú, però podria ser una alternativa interessant per a països com Espanya, on la producció de fibra industrial és molt marginal. Aquests subproductes, especialment la palla de cereals, s'han utilitzat i s'utilitzen cada vegada més en la construcció com a reforç en materials compostos, acabats de coberta, façana o tancaments estructurals. En aquesta investigació es proposa el seu ús en aïllaments tèrmics. En una primera etapa de la investigació, l'objectiu és explorar la possibilitat d'utilitzar alguns dels subproductes agrícoles disponibles a Espanya per al desenvolupament de panells aïllants rígids. S'ha avaluat la disponibilitat de les matèries primeres contrastant-la amb dos possibles escenaris de demanda. Tres dels subproductes disponibles (palla d'ordi, medul·la de blat de moro i clofolla d'arròs) s’han seleccionat per al desenvolupament de materials compostos experimentals, aglutinats amb dos tipus de polímers naturals (midó de blat de moro i alginat de sodi). Tant les matèries primeres com els materials compostos han estat caracteritzats analitzant les seves propietats físiques, tèrmiques i higroscòpiques, en concret la seva estructura porosa, la seva densitat, la seva conductivitat i difusivitat tèrmiques, la sorció i la difusivitat al vapor d'aigua. Els resultats s’han contrastat amb els d'altres materials convencionals. D'altra banda, s’ha analitzat la reacció al foc dels materials compostos. El compost basat en la medul·la de blat de moro i alginat ha presentat diverses propietats favorables com ara una baixa densitat i una baixa conductivitat tèrmica, una capacitat d'adsorció de vapor d'aigua significativa i una baixa contribució a la propagació del foc, pel que ha estat objecte d'una investigació ulterior. Per tant, en una segona etapa, s'ha estudiat en més profunditat el compost a base de medul·la de blat de moro i alginat. S'ha analitzat la dependència de les principals propietats tèrmiques i higroscòpiques amb el contingut d'humitat del material, així com el seu comportament higrotèrmic. D'altra banda, s'ha tractat de millorar el seu comportament en dos aspectes importants: la seva reacció al foc i la seva resistència a l'atac biòtic. Per avaluar el primer aspecte s’ha analitzat principalment el procés de smouldering. S’observa que la incorporació d'àcid bòric redueix la velocitat de propagació del front de combustió, mentre que el polifosfat d'amoni és capaç d'impedir l’smouldering fins a certes temperatures. Per a l'avaluació del segon aspecte s’ha analitzat l'afectació dels materials exposats a diferents nivells d'humitat i temperatura, i s’ha comprovat que la calç és capaç d'incrementar significativament la resistència a l'atac biòtic dels materials. Finalment, s'ha avaluat el rendiment higrotèrmic de Sistemes SATE que incorporen el nou material comparant-lo amb el d'altres materials convencionals.

Despite the advance that has led the incorporation of Annex 15 in the Spanish EHE-08, the use of recycled aggregate concrete (RAC) is minimum in structural applications. This regulation limits the percentage of substitution to 20 % of the coarse fraction. Moreover, only the recycled concrete aggregates (RCA) with ceramic particle content less than 5 % and water absorption less than 7 % are accepted. However, recent studies have shown that most of recycled aggregates produced in Spain exceeds these limitations, mainly due to the high content of ceramic material (mixed recycled aggregates), and absorption capacity water. This fact causes that only 15-20 % of construction and demolition waste (CDW) generated in Spain are treated and revalued as a construction material. This mark is below the goal (70 %) fixed in European regulations for year 2020. Currently, the recycled aggregates from CDW are considered as a waste material, only suitable in applications like filling-material in trenches or road subbase. The main objective of the Doctoral Thesis is demonstrate the feasibility of RAC made with a 100 % of mixed recycled aggregates (MRA) in structural applications. To reach this goal, an extensive experimental campaign (in concrete factory, in UPC ¿Luis Agulló¿ Lab and a field test) was carried out. This field test was part of the construction of an underground parking in C/Badajoz (Barcelona). Six diaphragm-walls were cast from as many doses of mixed RAC. In this experience, two properties were added to the concrete, self-compactability and fiber-reinforced. The aim of this decision was prevent the usual casting difficulties in these structural elements. Three months later, the elements were removed and fragmented in order to obtain specimens. Physical, mechanical and durability properties of the concretes were analyzed, and 18 full-scale flexural slab tests were carried out. Additionally, another experience was carried out in ESCOFET 1886, SA plant (Martorell), in order to verify the feasibility of this type of concrete in an industrial process. The results are satisfactory in both applications, opening new promising prospects for this type of concrete. / A pesar del gran avance que ha supuesto la redacción del Anejo 15 de la Instrucción Española EHE-08 para la utilización de los hormigones con áridos reciclados en aplicaciones estructurales, esta reglamentación se limita únicamente a un porcentaje de sustitución del 20 % de la fracción gruesa, siempre y cuando los áridos procedan del machaqueo de hormigón, con un % de material cerámico inferior al 5 %, y una absorción de agua menor al 7 %. En cambio, estudios recientes han demostrado que prácticamente la totalidad de los áridos reciclados producidos en España, incumplen dichas limitaciones, debido principalmente al elevado contenido de material cerámico (áridos reciclados mixtos), lo que a su vez, implica una mayor capacidad de absorción de agua. Este hecho provoca que apenas el 15-20% de los residuos de construcción y demolición generados en España sean tratados convenientemente y revalorizados como material de construcción. Esta cifra es muy inferior al 70 % de reutilización impuesto a nivel europeo para el año 2020. Actualmente, los áridos reciclados procedentes de los residuos de construcción y demolición son considerados como un material inferior, utilizados en aplicaciones de bajo valor añadido como material granular de relleno de zanjas o subbases de carretera. Para corregir esta situación, la presente Tesis Doctoral pretende demostrar la viabilidad de utilizar hormigones cuya fracción gruesa de su esqueleto granular esté compuesta al 100 % por árido reciclado mixto, en aplicaciones estructurales. Para ello, se plantea una extensa labor experimental, compuesta por dos campañas experimentales (una en la planta de hormigonado y otra a nivel de laboratorio), complementada con una prueba piloto. Dicha prueba piloto, enmarcada en la construcción de un aparcamiento subterráneo en la C/Badajoz de Barcelona, consistió en la ejecución de seis pantallas de sostenimiento ejecutadas por bataches, fabricadas con otras tantas dosificaciones de hormigón con árido reciclado mixto. Además, dadas las habituales dificultades de puesta en obra que plantean este tipo de elementos, se decidió dotar a la mezcla de dos propiedades adicionales: la autocompactabilidad e incorporar fibras de acero. Posteriormente, una vez avanzada la excavación, los elementos fueron retirados de la obra y fragmentados, para posteriormente poder analizar aspectos relacionados con la puesta en obra, el comportamiento estructural. Concretamente, se obtuvieron un gran número de probetas-testigo con las que se analizaron las propiedades físicas, mecánicas y la durabilidad de los hormigones, así como ensayos a flexión de elementos "a escala real". Adicionalmente, se llevó a cabo una experiencia en las instalaciones de la empresa ESCOFET 1886, S.A, a fin de verificar la viabilidad de introducir este tipo de hormigones en un proceso industrializado, y especialmente para la fabricación de elementos de mobiliario urbano. Los resultados obtenidos en ambas experiencias son satisfactorios, abriendo nuevas perspectivas más prometedoras a este tipo de hormigones.

A significant number of buildings are supported by load-bearing masonry walls. The preservation of these worldwide used structures is a sustainable alternative. However, there is little research about the structural response of these particular elements if compared with others like concrete or steels framed structures. Hence, a further study of the load-bearing masonry walls is necessary as a starting point for the preservation activities. The load-bearing masonry walls are usually subjected to a vertical eccentric loading condition, which is related with their complex structural response. This response is characterised by the second-order bending effects due to the eccentricity of the load, the non-linear compressive response of the masonry and its almost negligible tensile strength. Thus, strengthening these walls, in order to increase their load-bearing capacity, is an interesting upgrading alternative to enhance their life-cycle. In this thesis, an experimental campaign has been carried out. It consisted of hundreds of characterisation tests to obtain the mechanical properties of the component materials which have been used to build twenty-nine full-scale walls. Twenty of these walls were unreinforced and the other nine were TRM (Textile Reinforced Mortar) strengthened. All of them have been tested under eccentric compressive loading conditions. The analysis of the strengthened walls has allowed studying the influence of the strengthening mortar type on the load-bearing capacity. The effects using anchors or embedding different types of fibre grids have been also analysed. A bidimensional (2D) simplified micro-model has been implemented to analyse these structural cases. This numerical tool has been validated using the data from the experimental campaign. Finally, analytical methodologies have been proposed to calculate the load-bearing capacity of unreinforced and TRM-strengthened brick masonry walls. Similarly, two current standards, Eurocode-6 and ACI-530 have been applied to the analysed cases and their results have been compared with the experimental ones. The results show that the TRM provides a load-bearing capacity increase over 100% and homogenises the structural response, which becomes stiffer. Regarding the simulations, the proposed numerical model provides accurate results, which are better for the cases with larger slenderness or larger eccentricity of the applied load. Finally, the proposed analytical methods provide acceptable results, which are more accurate than the ones obtained by applying the formulations included in the analysed standards. / Un nombre significant d'edificis estan suportats per murs de càrrega d'obra de fàbrica. La preservació d’aquestes estructures que s’utilitzen arreu del món is una alternativa sostenible. No obstant això, hi ha molt poca recerca en relació a la resposta estructural d’aquests elements particulars si es compara amb altres com les estructures porticades d’acer o formigó. Per tant, és necessari un major estudi dels murs de càrrega d’obra de fàbrica com a punt de partida de les actuacions de preservació. Normalment, els murs de càrrega estan subjectes a patrons de càrrega vertical excèntrica, cosa que està relacionada amb la seva resposta estructural complexa. Aquesta resposta es caracteritza pels efectes de flexió de segon ordre degut a l’excentricitat de la càrrega, per la resposta no linear a compressió de l’obra de fàbrica i per la seva, pràcticament negligible, resistència a tracció. Per tant, el reforç d’aquests murs, per tal d’augmentar-ne la seva capacitat resistent is una alternativa de millora interessant per allargar la seva vida útil. En aquesta tesi s’ha dut a terme una campanya experimental. Aquesta ha consistit en centenars d’assaigs de caracterització de les propietats mecàniques dels materials components utilitzats per construir vint-i-nou murs. Nou d’aquests es van reforçar amb Textile Reinforced Mortar, TRM, i els altres vint van ser assajats sense reforç. Tots van ser sotmesos a compressió excèntrica. L’estudi dels murs reforçats ha permès analitzar la influència del tipus de morter de reforç, l’efecte de disposar ancoratges o la dependència de la capacitat resistent en el tipus de malla de fibra utilitzada. S’ha implementat un micromodel simplificat bidimensional (2D) per analitzar els casos estructurals proposats. Aquesta eina numèrica ha estat validada utilitzant les dades de la campanya experimental. Finalment, s’han proposat mètodes analítics per calcular la capacitat portant dels murs sense reforç i dels reforçats amb TRM. De forma semblant, s’han aplicat dos normes actuals, l’Eurocodi-6 i l’ACI-530, als casos d’estudi per tal de comparar-ne els resultats amb els experimentals. Els resultats mostren que el TRM aporta un augment de la capacitat resistent de més del 100% i homogeneïtza la resposta estructural que esdevé més rígida. En relació a les simulacions, el model numèric proposat obté resultats acurats, els quals són millors pels casos de major esveltesa o més excentricitat de la càrrega. Per acabar, els mètodes analítics que es proposen aporten resultats acceptables, els quals s’ajusten millor als experimentals que els obtinguts aplicant les formulacions de les normatives.

Tesi per compendi de publicacions. La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu UPC / A more sustainable and secure energy supply is required for the forthcoming generations; where the actual dependence on the fossil fuel reserves should be replaced by self-sufficiency and use of renewable energy resources. Conventional sewage treatment is an energy consuming process, or more specifically, an electricity consuming process. Notwithstanding, energy on Waste Water Treatment Plants is not only considered in terms of consumption reduction, but also in terms of production of renewable energy in form of biogas. Today, achieving energy self-sufficiency is limited by the low electrical efficiencies of conventional biogas-powered Combined Heat and Power systems; but fuel cell technology is appearing on the scene in the recent years offering both a higher electrical efficiency and a further reduced environmental impact. Biogas energy valorization in fuel cells combines a high-efficient technology for electrical generation, i.e.: fuel cell, with the use of a renewable fuel, i.e.: biogas. Raw biogas contains a wide range of contaminants, mainly sulfur and organic silicon compounds (siloxanes), which pose a risk to Solid Oxide Fuel Cell operation; hence biogas requires a thorough conditioning and cleaning process upstream the fuel cell unit. Moreover, monitoring of siloxanes levels remained somewhat controversial with discrepancies on optimal sampling procedure as well as quantification technique; hindering the design and operation of siloxanes removal technologies. This work is devoted to studying and validating the whole biogas energy valorization line, including the biogas treatment system and the fuel cell operation. The integration of low-cost biological desulphurization and deep polishing physico-chemical adsorption processes with a Solid Oxide Fuel Cell has been studied in an industrial 2.8 kWe pilot plant installed in a Waste Water Treatment Plant in Spain, showing that the stringent gas quality requirements of 0.5 ppmv S and 1 mg Si/Nm3 can be satisfied with over the long-term. The technical and economic comparison of Solid Oxide and Molten Carbonate Fuel Cell performance with conventional Internal Combustion Engines and Micro-Turbines has been also conducted for different plant sizes and raw biogas compositions, confirming the relevant role that fuel cells can play on carbon neutral sewage treatment; particularly in small- and medium-size plants. Today the final justification for biogas valorization in fuel cell systems needs to be found in environmental issues as some improvements both in the performance and costs are still required. Nonetheless, this thesis demonstrates that the economics for this next-generation technology are expected for the short-term. Further collaborative research between biogas producers, suppliers of biogas treatment systems and manufacturers of fuel cells is required in the near future for Solid Oxide Fuel Cell technology deployment in the sewage sector. / El subministrament d'energia sostenible i segur és un dels reptes més rellevants per a les properes generacions, on la dependència actual en les fonts d'energia basades en combustibles fòssils haurà de ser substituïda per l'autosuficiència i l'ús dels recursos energètics renovables. El tractament convencional d'aigües residuals urbanes és un procés que consumeix grans quantitats d'energia, o més específicament, grans quantitats d'electricitat. En aquest sentit, l'energia a les Estacions Depuradores d'Aigües Residuals s'ha de tractar no només en termes de reducció del consum, sinó també en termes de producció d'energia renovable a partir del biogàs. Avui en dia, no és possible assolir l'autosuficiència energètica a causa de les baixes eficiències elèctriques dels sistemes de cogeneració convencionals alimentats per biogàs. Tot i això, en els darrers anys, la tecnologia de les piles de combustible està apareixent en escena, oferint una millor eficiència elèctrica i una reducció en l'impacte ambiental. La valorització energètica de biogàs en piles de combustible combina una tecnologia d'elevada eficiència per a la generació d'energia (la pila de combustible), amb l'ús d'un combustible renovable (el biogàs). S'ha de tenir en compte que el biogàs brut conté una àmplia gamma de contaminants, especialment compostos de sofre i de silici orgànic (siloxans), que comporten un risc operatiu per al correcte funcionament de les piles de combustible d'òxid sòlid. Per tant, s'ha d'instal·lar una etapa d'acondicionament i neteja exhaustiu del biogàs abans que es pugui introduïr a la pila de combustible. D'altra banda, la monitorització de les concentracions de siloxans presenta discrepàncies en relació al procediment òptim per al seu mostreig i en la tècnica analítica de quantificació; dificultant d'aquesta manera el disseny i la operació de les tecnologies d'eliminació d'aquests compostos. Aquest treball es centra en l'estudi i validació de tota la línia de valorització energètica, incloent el sistema de tractament de biogàs i la operació de la pila de combustible. S'ha estudiat la integració de tecnologies de dessulfuració biològica de baix cost i de processos d'adsorció fisicoquímica amb una pila de combustible d'òxid sòlid en una planta pilot industrial de 2.8 kWe instal·lada en una Estació Depuradora d'Aigües Residuals a Catalunya (Mataró). Els resultats experimentals han demostrat que les tecnologies de tractament de biogàs són capaces d'assolir els exigents nivells de qualitat de 0.5 ppmv S i 1 mg Si/Nm3 tant en el curt com en el llarg plaç. Per altra part, s'ha realitzat una estudi tècnic-econòmic comparatiu entre les piles de combustible (d'òxid sòlid i de carbonat fos) amb els motors de combustió interna i les microturbines per a diferents tamanys de planta i composicions del biogàs. D'aquesta manera, s'ha confirmat el paper important que poden jugar les piles de combustible en l'assoliment d'un tractament d'aigües residuals autosuficient; particularment en plantes de tamany petit i mitjà. Avui en dia, els projectes de valorització energètica de biogàs a través de piles de combustible encara s'han de justificar per raons ambientals ja que es requereixen millores tant en el rendiment tècnic com en els costos d'inversió. No obstant, aquesta tesi demostra que aquesta tecnologia de pròxima generació serà econòmicament viable en el curt termini i podrà competir amb les tecnologies convencionals. La investigació col·laborativa entre productors de biogàs, proveïdors de tecnologies de tractament i fabricants de piles de combustible serà imprescindible durant els propers anys per tal que la tecnologia pugui convertir-se en una realitat en el sector del tractament d'aigües residuals urbanes.