Spatial Arch Bridges (SABs) are defined as bridges in which vertical deck loads produce bending moments and shear forces not contained in the arch plane due to their geometrical and structural configuration. Moreover, the arch itself may not be contained in a plane. A wide compilation of examples of this bridge type has been made. Different benchmarks have been developed to assure the validity of the analysis methods employed in the present research. An in-depth study of planar and non-planar Inferior Deck Arch Bridges With Imposed Curvature (IDABWIC) has been carried out. In this type of spatial arch bridges the arch and the deck centroid lines are both contained in the same vertical cylinder. The aim of the study is to propose the most appropriate design for controlling the out-of-plane response. In order to understand the behaviour of these arches, different frame 3D models have been developed and analyzed with commercial software. The arch definition, the deck and arch plan curvature, the arch sag and cross-sections rigidity of arch, deck and hangers, as well as arch cross-section area and different hanger/deck and hanger/arch connection types, have been studied as variables under both symmetrical and asymmetrical vertical loading. Both flexible and rigid hangers have been analysed. A thorough study for different geometries and boundary conditions at deck abutments of superior deck true SABs under vertical loading and temperature variation has been conducted. The purpose of the study is to understand the structural behaviour of different geometries of this bridge type and to establish the best boundary conditions at abutments in each case. Vertical planar arch bridges with a curved superior deck are spatial arch bridges (SABs) with a very characteristic structural behaviour and many interesting structural and aesthetic possibilities. A thorough parametric analysis has been conducted in order to establish efficient values of different parameters for this bridge type according to different criteria. The objective is to minimize the total amount of structural materials. An appropriate range of values for the different parameters (arch/deck eccentricity, arch rise, arch/deck vertical distance, inclination of struts and the cross-section of the different elements) is given and it is established which parameters are key to the bridge behaviour. The changes in the structural behaviour according to the different parameters are explained. The stability of SABs with a curved deck is studied and compared with that of planar vertical arch bridges with a straight deck. For different models of this bridge type geometrically non-linear analyses with and without imperfections have been conducted. The sensibility to imperfections has also been studied, considering the coded imperfections based on the behaviour of planar vertical arch bridges. Most SABs are footbridges. Therefore, the dynamic behaviour of this bridge type is an important aspect to be considered. The dynamic behavior of this type of footbridges has been hence also conducted for a SAB example with curved superior deck. / Definimos como Puentes Arco Espaciales (PARES) todo puente arco en el que, por su configuración geométrica y estructural, las cargas gravitatorias generan flexiones y cortantes no contenidos en el plano del arco. Además, el propio arco puede no estar contenido en un plano. Se ha llevado a cabo una amplia recopilación de realizaciones de este tipo de puentes. se han desarrollado varios benchmarks para asegurar la validez de los métodos de análisis empleados en la presente investigación. Se ha realizado un amplio estudio de los Puentes Arco de Tablero Inferior con Curvatura Impuesta planos y no planos. En este tipo de puentes arco espaciales el eje del arco y del tablero están contenidos en el mismo cilindro vertical. El objetivo del estudio es proponer el diseño más apropiado para controlar la respuesta fuera del plano del arco. Con el fin de entender el comportamiento de estos arcos, se han desarrollado y analizado diferentes modelos de barras en 3D marco con un software comercial. La definición del arco, de la curvatura del tablero y de la curvatura del arco en planta, la flecha horizontal del arco ceder y la rigidez de las secciones transversales del arco, del tablero y de las péndolas, así como el área de la sección transversal del arco y distintos tipos de conexión péndolas/ tablero y péndolas/arco, se han estudiado como variables bajo tanto carga vertical simétrica como asimétrica en tablero. Se ha considerado el uso tanto de péndolas flexibles como rígidas. Se han estudiado diferentes geometrías y condiciones de contorno en los estribos del tablero para PARES de tablero superior bajo carga vertical y variación de temperatura. El propósito del estudio es entender el comportamiento estructural de distintas geometrías de este tipo puentes y establecer las condiciones de contorno más convenientes en estribos de tablero para cada caso. Los puentes con un arco plano vertical con tablero superior curvo son PARES con un comportamiento estructural muy característico e interesantes posibilidades estructurales y estéticas. Se ha realizado un amplio análisis paramétrico con el fin de establecer valores eficientes para diferentes parámetros en este tipo de puentes de acuerdo con distintos criterios. El objetivo es minimizar la cantidad total de materiales estructurales empleados. Se da un rango adecuado de los valores de diferentes parámetros (excentricidad arco/ tablero, flecha del arco, distancia vertical arco/tablero, inclinación de pilas y la sección transversal de los diferentes elementos) y se establece qué parámetros son fundamentales para el comportamiento de estos puentes. Se explica la influencia de la variación de los distintos parámetros estudiados en la respuesta estructural. La estabilidad de los PARES con tablero se estudia y compara con la de los puentes en arco planos verticales con tablero recto. Se ha llevado a cabo un análisis no lineal geométrico con y sin imperfecciones para diferentes modelos de este tipo puentes. La sensibilidad a las imperfecciones también ha sido estudiada, teniendo en cuenta las imperfecciones estipuladas en los Eurocódigos, basados en el comportamiento de los puentes en arco planos verticales con tablero recto. La mayoría de los PARES son pasarelas. Por lo tanto, el comportamiento dinámico de este tipo puente es un aspecto importante a considerar. Así pues, se ha llevado a cabo un análisis dinámico para un ejemplo PARES con el tablero superior curvo

Studying Spanish dams from a broad, architectural perspective helps to shed light on their main characteristics and raison d'etre. This standpoint provides the tools needed to address aspects related to form and structure, technique and materiality, organization and implementation, landscape and territory-aspects which are further supported by the study of the chain of strategic decisions which make each of the dams possible, while also including the design process and their role in the typological evolution. Spain has the fifth highest number of large dams in the world. lmpoverished hydrographical conditions converge with a topographic and geologic system which offers a vast number of high quality narrow passes. In other words, poor hydrographical conditions coexist with the tool to overcome them within the same territory. Domesticating water has been the main task of the peninsula's inhabitants for ages. The sum of brilliant groups of dam projects weaves a story that tells us about the appropriation of a place and the ways in which we try to make our habitat a more pleasant place to live in - and in which every culture, dynasty or government provides its own approach. Dams are studied as constructions directly linked to the site where they stand, to technical developments and available resources; but also -from a wider perspective- they are viewed as the wayin which the ideological stance of the designers and society in relation to nature and territory takes shape. Architecture acts as a catalyst for a viewpoint which is aimed directly at the project, the construction and the ideas underlying it. lt is a different approach to that of the strictly well-learned technical point of view, the contextual one which underlies historic research and that brought about by artistic interventions. Notwithstanding, it draws a map of relationships among them, bringing previously distant views over one same issue closer. This thesis is a cross-sectional reading often essential aspects of dam architecture for eighteen representative dams. Selecting them as examples has allowed us to study them in depth, based on the approach to the aspect that they best represent, and conveniently referenced with other significant pieces. / Mirar los pantanos españoles desde la arquitectura, en un sentido amplio, alumbra sus principales atributos y su razón de ser. Dota al análisis de las herramientas necesarias para abordar cuestiones de forma y estructura, de técnica y materialidad, de organización e implantación, de paisaje y territorio. Unos aspectos respaldados por el estudio de la cadena de decisiones estratégicas que hace posible cada presa que también incorpora el proceso de diseño y de su papel en la evolución tipológica. España es el quinto país del mundo en número de grandes presas. Confluyen aquí unas condiciones hidrográficas depauperantes con un sistema orográfico y geológico que ofrece un sinfín de portillos de gran calidad. Por decirlo de otro modo, coexiste en el mismo territorio una dificultad de acomodo con una herramienta para resolverla. Domesticar el agua ha sido la principal tarea de los pobladores de la península a lo largo de milenios. La suma de brillantes familias de proyectos teje una historia de la apropiación de un lugar, de cómo hacer amable un hábitat, en la que cada cultura, dinastía o gobierno da su enfoque particular. La presa es estudiada como una construcción directamente vinculada al emplazamiento, al desarrollo de la técnica y a los medios disponibles; pero también, desde un enfoque más amplio, como la plasmación de un posicionamiento ideológico del proyectista y la sociedad en relación con la naturaleza y el territorio. La arquitectura cataliza una mirada que interpela directamente al proyecto, a la obra y a las ideas que en ella subyacen. Es una vía de aproximación diferente a la visión estrictamente técnica del manual, la contextual subyacente en la investigación histórica o la interrogación que comporta la intervención artística. Sin embargo traza entre todas ellas un mapa de relaciones, acercando visiones a priori alejadas sobre una misma cuestión. Esta es una lectura cruzada entre diez aspectos esenciales de la arquitectura de los pantanos y dieciocho presas representativas. La selección de ejemplos permite profundizar en su estudio según el enfoque del tema que mejor ilustran, convenientemente referenciado con otras piezas de interés

Antoni Gaudí developed, for the pinnacles ofthe Sagrada Famí!ia, a unique constructive solution with precast concrete elements which were slightlyreinforced and covered with a trencadís ofMurano glass (Venice). In the continuation ofthe work until the present da y, the system des igned bythe architect was kept for the construction ofthe other pinnac!es ofthe basílica. During the !ast years, a greater deterioration and !oosening oftrencadís pieces at the pinnac!es ofthe !ast stages was detected (e.g.: Pass ion Fayade) and a!so a reduced service !ife compared to those ofGaudí's time (1915-1930) was observed. Therefore, a!! these structures were cave red with a safety mesh in orderto avoid resu!ting risks for visitors and workers. The main purpose ofthe Doctoral Thesis was to determine the origin ofthe problem, and !aterto prevent recurren ce, with the revision and optimization ofthe materia!s and procedures which were applied during the restoration and construction of these precast elements. During the investigation, the problem was globa!!y analyzed and its chemical causes were considered, a process which was carried outwith an analysis ofsamples byXRD, DTA-TGAand SEM, as well as through physical-mechanical effects, bydeformation incompatibility among the materials. In addition, because ofthe singularity of these coatings at great height, more detailed studies about durabilitywere carried out, and these elements underwent differenttypes ofaccelerated aging cycles (thermal shock, weVdryprocess, frosVthaw process and resistance to crysta!lization of salts) in arder to ensure the efficiency ofthe developed materials. For the control and m onitoring ofthe materials in this study, different non-destructive testing techniques were used (ultrasound, acoustic impact and thermographic pictures), which in addition were evaluated for a possible use during future inspections in the work. The mortar pieces and procedures proposed, as a resultofthe Doctoral Thesis, are now used in the restoration ofthe pinnacles ofthe Sagrada Fa m ília. Additionally, the new precast pieces are being manufactured forthe future pinnacles ofthe basílica with the micro-concrete with plastic fibers that has been developed. / En los pináculos de la Sagrada Família, Antoni Gaudí desarrolló una singular solución constructiva mediante prefabricados de hormigón ligeramente armados y revestidos con un trencadís de vidrio de Murano (Venecia). En la continuación de la obra hasta la actualidad, se mantuvo el sistema diseñado por el arquitecto para la construcción del resto de pináculos de la basílica. En los últimos años, se detectó una mayor degradación y desprendimientos de piezas del trencadís en los pináculos de las últimas etapas (p. ej.: Fachada de Pasión) y con una menor vida en servicio respecto a los de la época de Gaudí (1915-1930). En consecuencia, todas estas estructuras se envolvieron con una malla de seguridad para evitar riesgos derivados a los visitantes y a los trabajadores de la obra. El principal objetivo de la tesis doctoral fue determinar el origen del problema y, con posterioridad, evitar su reaparición, mediante la revisión y optimización de los materiales y procedimientos aplicados en la restauración y en la construcción de estos elementos prefabricados. En la investigación se analizó el problema desde su globalidad, considerando causas químicas, a través del análisis de muestras por DRX, ADT-TG y MEB, como también por efectos físico-mecánicos, por incompatibilidad de deformación entre los materiales. Dada la singularidad de estos revestimientos a gran altura, se realizaron también estudios de durabilidad más extensos frente a distintos tipos de ciclos de envejecimiento acelerado (choque térmico, mojado/secado, hielo/deshielo y resistencia a la cristalización de sales) para garantizar la eficiencia de los materiales desarrollados. Para su control y seguimiento en este estudio se emplearon distintas técnicas de ensayo no destructivas (ultrasonidos, impacto acústico e imágenes termográficas), las cuales fueron también evaluadas para su posible aplicación en las futuras inspecciones en la obra. Los morteros y procedimientos propuestos, como resultados de la Tesis Doctoral, son aplicados en la actualidad en la restauración de los pináculos de la Sagrada Familia. Asimismo, se están fabricando las nuevas piezas prefabricadas para los futuros pináculos de la basílica con el micro-hormigón con fibras plásticas desarrollado.

This thesis focuses on the experimental and numerical study of the desiccation processes of low-plasticity clayey soils that usually result in shrinkage and often in cracking. A comprehensive state of the art that defines the background, variants, objectives, variables and factors affecting the process is presented. In addition, existing theoretical models and numerical simulations in the literature to address the problem of soil desiccation and cracking are reviewed. The experimental study focuses in the first place on auscultation for detecting cracks within a soil mass, which are not visible, with a novel technique in this field: the Ground Penetrating Radar. This technique has been used because of the three-dimensional auscultation requirement and their operational and economic advantages. An experimental study with thin rectangular soil samples is included, that allow studying the influence of the aspect ratio of the samples and the initial size of the soil particles. As part of this thesis, a test has also performed with a cylindrical sample subjected to a rapid desiccation process using the maximum drying capacity available in an environmental chamber at the laboratory, setting the highest possible temperature. The experimental part of the thesis concludes with a comprehensive test of two phases of desiccation and wetting and one phase of flooding on a cylindrical sample of soil, non-existent until now in the literature. For the theoretical development of the numerical model on which this thesis is based, Unsaturated Soils Mechanics, Classic Strength of Materials and concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) are used to establish the necessary framework for formulating various phenomena such as water flow in deformable porous medium and cracking. In the body of the thesis, the mathematical formulation of the model and its implementation in a hydro-mechanical coupled program, based on the Finite Element Method (FEM) and Finite Difference Method (FDM) in a MATLAB environment are presented. The ultimate goal of this code is the numerical simulation of the flow in a deformable porous medium and cracking in soils, for which the node release technique is used. A proposal for using the LEFM for describing some of the phases of cracking is included as well. The code developed in this thesis has been used to perform several numerical analyses. Transversal, radial and diametrical sections of cylindrical and prismatic soil samples subjected to drying processes are simulated. Simulations are made to reproduce numerically theoretical experiments and existing experimental results available in the literature as well as from the tests performed in the context of this thesis. The objective of these simulations is to determine the mechanisms by which the soil shrinks and cracks during desiccation. / La presente tesis se centra en el estudio de aspectos experimentales y numéricos de los procesos de desecación en suelos arcillosos de baja plasticidad que habitualmente resultan en retracción y a menudo agrietamiento. Se presenta un exhaustivo Estado del Arte que define los antecedentes, variantes, objetivos, variables y factores que afectan al proceso. Además, se revisan los modelos teóricos y simulaciones numéricas existentes en la literatura para tratar el problema de desecación y agrietamiento del suelo. El estudio experimental se centra en primer lugar en la auscultación para la detección de grietas en el interior de una masa de suelo que, por tanto, no son visibles, con una novedosa técnica en este campo: el georadar. Se ha recurrido a esta técnica por la necesidad de auscultación tridimensional y por sus ventajas operativas y económicas. Se incluye un estudio experimental con muestras rectangulares delgadas de suelo que permite estudiar la influencia de la relación de lados de las muestras y del tamaño inicial de las partículas de suelo. En esta tesis se ha ejecutado también un ensayo con una muestra cilíndrica sometida a un proceso de secado rápido utilizando la máxima capacidad de secado disponible en una cámara ambiental de laboratorio, fijando la temperatura más alta posible. La vertiente experimental de la tesis concluye con un ensayo completo de dos fases de secado y humedecimiento, y una fase de inundación, sobre una muestra de suelo cilíndrica, inexistente hasta la actualidad en la literatura. Para el desarrollo teórico sobre el que se basa el modelo numérico objeto de esta tesis, se utiliza la Mecánica de Suelos no Saturados, la Resistencia de Materiales Clásica y conceptos de la Mecánica de Fractura Lineal Elástica (MFLE) para establecer el marco teórico necesario para formular varios fenómenos como son el flujo de agua en medios porosos deformables y el agrietamiento. En el cuerpo de la tesis se expone de forma detallada la formulación matemática del modelo y su implementación en un programa de cálculo acoplado hidromecánico por el Método de los Elementos Finitos (MEF) y el Método de las Diferencias Finitas (MDF) en el entorno MATLAB. El objetivo final de este programa de cálculo es la simulación numérica del problema hidromecánico de flujo en un medio poroso deformable y del agrietamiento en suelos, para lo cual se recurre a la técnica de liberación de nodos. Se incluye además una propuesta para el uso de la MFLE para la descripción de algunas de las fases del agrietamiento. En la tesis se llevan a cabo un gran número de análisis con el código desarrollado. Se simulan secciones transversales, radiales y diametrales de muestras prismáticas y cilíndricas de suelo sometido a procesos de secado, tanto desde el punto de vista teórico como con la intención de reproducir numéricamente los resultados experimentales disponibles tanto en la literatura como de los ensayos realizados en el desarrollo de esta tesis. Con estas simulaciones se determinan los mecanismos por los cuales el suelo se retrae y agrieta durante la desecación.

Esta tesis propone una metodología de evaluación del daño sísmico basada en el método del espectro de capacidad pero con un enfoque probabilista que se apoya en simulaciones Monte Carlo. Así la acción sísmica, la estructura y el daño esperado se consideran y se analizan como variables aleatorias. La metodología, que se valida mediante el análisis dinámico incremental, es una nueva, robusta y potente herramienta de análisis de riesgo tanto a nivel de edificios individuales como a nivel urbano y regional. La validación mediante el análisis dinámico, de hecho, ha supuesto crear también una metodología probabilista basada en el análisis dinámico incremental. El daño esperado puede obtenerse para cualquier intervalo de confianza permitiendo así, a los gestores de la protección civil la elección de los niveles prioritarios o de interés. Como el análisis dinámico incremental requiere acelerogramas, se ha optado por usar registros de terremotos y se ha diseñado una técnica que, para una determinada base de datos, permite optimizar, minimizando la dispersión, el número de acelerogramas compatibles con un determinado espectro de respuesta; de esta forma la incertidumbre en la acción sísmica se considera de una manera adecuada. Aunque a efectos metodológicos, se ha estimado suficiente y adecuado considerar como variables aleatorias gaussianas sólo las propiedades resistentes del hormigón y el acero, con todo se ha introducido también una nueva e interesante forma de incorporar la variabilidad espacial de la resistencia de vigas y columnas. Los desarrollos metodológicos se ilustran con numerosos casos de estudio de edificios existentes y bien documentados. En particular, se han estudiado los edificios de hormigón armado con forjados reticulares, clasificados en altos, de altura mediana y bajos. Este estudio se ha realizado considerando acciones sísmicas compatibles con los espectros previstos en el eurocódigo EC8 para terremotos tipo 1 y tipo 2 y para suelos A, B, C, D y E. La aplicación del método a edificios irregulares ha confirmado la insuficiencia de modelos 2D en estructuras asimétricas. Así, el método probabilista se ha aplicado a dos edificios de especial importancia para escenarios sísmicos de interés. El primero es el hospital de Vielha, para la acción sísmica con un periodo de retorno de 475 años; el segundo es un edificio del Barrio de San Fernando en Lorca, que fue severamente dañado por el terremoto del mes de mayo de 2011. En este segundo caso la acción sísmica se ha definido de forma determinista mediante las dos componentes horizontales de aceleración registradas en la ciudad. En los análisis 3D se ha incorporado el efecto de direccionalidad, concluyendo que edificios del mismo tipo situados en un mismo lugar pueden sufrir daños significativamente distintos dependiendo sólo de su orientación azimutal. Los resultados obtenidos en el caso de Lorca son compatibles con los daños observados lo que contribuye a validar el método probabilista y los desarrollos implementados en esta tesis. / This dissertation proposes a methodology for seismic damage assessment based on the capacity spectrum method but with a probabilistic approach which is supported on Monte Carlo simulation. The seismic action, the structure and the expected damage are considered and analyzed as random variables. The method, which is validated through incremental dynamic analysis, is a new, robust and powerful tool for risk analysis that can be applied to individual buildings, but also at urban and regional scales. In fact, the validation through dynamic analyses has involved creating also a probabilistic method for damage assessment, based on incremental dynamic analysis. The expected damage can be obtained for any confidence interval thus allowing the civil protection managers choosing the levels of priority or interest. As incremental dynamic analyses require accelerograms, the use of earthquake records has been preferred and it has been developed a specific technique that, for a given database, minimizes the dispersion and optimizes the number of accelerograms compatible with a given response spectrum; in this way, the uncertainties in the seismic action are considered in an appropriate manner. Although for methodological purposes it was estimated sufficient and adequate to consider only the strength properties of concrete and steel as Gaussian random variables, yet a new and interesting way to incorporate the spatial variability of the strength of beams and columns has been also proposed. The methodological developments are illustrated with numerous case studies of existing and well documented buildings. Specifically, reinforced concrete buildings with waffle slabs, classified as low-rise, mid-rise and high-rise, have been studied. This study has been conducted considering seismic actions compatible with the response spectra foreseen in the Eurocode EC8 for type 1 and type 2 earthquakes and soil classes A, B, C, D and E. The application of the method to irregular buildings confirmed the insufficiency of 2D models for asymmetric structures. Thus, the probabilistic method has been applied to two buildings of special importance for seismic scenarios of interest. The first one is the hospital of Vielha considering the seismic action with a return period of 475 years; the second one is a building located in the neighborhood of San Fernando in Lorca, which was severely damaged by the earthquake of May 2011. In this second case the seismic action has been defined deterministically by means of the two horizontal accelerograms recorded in the city. In 3D analyses the directionality effect is considered, concluding that buildings of the same type located in the same place can suffer significantly different damages depending only of their azimuthal angle. The results obtained in the case of Lorca are compatible with the observed damage. This fact supports the validity of the probabilistic method as well as that of the developments implemented in this thesis.

Modelling of granular materials, soils and rocks has been a challenging topic of investigation for decades. Classical continuum mechanics has been used to idealize soils and rocks, and numerical solution techniques such as finite element method (FEM) has been used to model these materials. Considering the idealization of the material, continuum mechanics allows the analysis of phenomena with discontinuous nature such as fracture in rock or soil via damage models. However, in more complex processes like rock milling or crushing, this kind of models are usually not suitable. Discrete models are more appropriate for problems with multiple discontinuities and particulate materials. The discrete element method (DEM) has been gaining popularity in analysis of granular materials, soils and rocks. Many aspects of this method still require more profound investigation. This thesis presents new developments of the discrete element method improving effi ciency and accuracy of modelling of rock-like materials, especially in excavation processes. All the numerical algorithms has been implemented in an in-house software, which was then used to run numerical examples. The basic formulation of DEM with linear elastic-perfectly brittle contact model is presented. The main di erence with other models found in the literature is the consideration of global sti ness and strength parameters that are constants in the whole model. The result of a simulations is strongly related with the con guration of the particle assembly used. Particle assemblies should be su ciently compact and ensure the isotropy to reproduce the physical properties of the modelled material. This thesis presents a novel technique for the generation of highly dense particle assemblies in arbitrary geometries, satisfying all the requirements for accurate discrete element simulations. One of the key issues in the use of the DEM is the estimation of the contact model parameters. A methodology is proposed for the estimation of the contact model parameters yielding required macroscopic properties of the material. The relationships between the contact model parameters and the mechanical properties of brittle materials, as well as the influence of the particles assembly con guration on the macroscopic properties, are analysed. A major di culty in the application of the DEM to real engineering problems is the high computational cost in simulation involving a large number of particles. The most common way to solve this is the use of parallel computing techniques, where multiple processors are used. As an alternative, a coupling scheme between DEM and the finite element method (FEM) is proposed in the thesis. Within the hybrid DEM/FEM model, DEM is only used in the region of the domain where it provides an advantage over a continuum-based approach, as the FEM. The coupling is dynamically adapted, starting with the whole domain discretized with FEM. During the simulation, in the regions where a high stress level are found, a change of modelling method from continuum FEM to the discrete DEM is employed. Finally, all the developments are applied to the simulation of a real excavation process. An analysis of the rock cutting process with TBM disc cutters is performed, where DEM and the DEM/FEM coupling technique presents an important advantage over other simulation techniques. / La modelación de materiales granulares, terrenos y rocas ha sido un desafío para la investigación por décadas. La mecánica del continuo clásica ha sido utilizada para idealizar terrenos y rocas, y técnicas numéricas de solución, como el método de los elementos finitos (FEM), han sido usadas para modelar estos materiales. Considerando la idealización del material, la mecánica del continuo permite el análisis de fenómenos de naturaleza discontinua como la fractura en rocas y terreno mediante modelos de daño. Sin embargo, en procesos mas complejos como la molienda o trituración de roca, este tipo de modelos no suelen ser adecuados. Los modelos discretos son mas apropiados para problemas con múltiples discontinuidades y material particulado. El método de los elementos discretos (DEM) ha ido ganando popularidad en el análisis de materiales granulares, terrenos y rocas. Sin embargo, muchos aspectos de este método todavía requieren una investigación mas profunda. Esta tesis presenta nuevos desarrollos del método de los elementos discretos para mejorar su eficiencia y precisión en el modelado de materiales como roca, especialmente para procesos de excavación. Todos los algoritmos numéricos se han implementado en el programa propio, que ha sido utilizado para probar distintos ejemplos. La formulación básica del DEM, con un modelo lineal de contacto elástico perfectamente frágil ha sido utilizado en el presente trabajo. La principal diferencia con otros modelos de la literatura es la consideración de que los parámetros de rigidez y fuerzas máximas son valores globales y constantes en todo el modelo. El resultado de la simulación está fuertemente relacionado con la configuración del ensamblaje de partículas utilizado. El ensamblaje de partículas debe ser suficientemente compacto y asegurar la isotropía de las propiedades físicas del material modelado. La tesis presenta una nueva técnica para la generación de ensamblajes de partículas de alta densidad para geometrías arbitrarias, satisfaciendo todos los requisitos para una simulación con elementos discretos correcta. Uno de los temas clave en el uso del DEM es la estimación de los parámetros del modelo de contacto. Se propone una metodología para la estimación de los parámetros del modelo de contacto siguiendo las propiedades macroscópicas requeridas en el material Las relaciones entre los parámetros del modelo y las propiedades mecánicas de materiales frágiles, así como su la influencia de la configuración del ensamblaje de partículas son analizadas. Una gran dificultad en la aplicación del DEM en problemas reales de ingeniería es el alto costo computacional de simulaciones que consideran un gran número de partículas. La solución mas común para resolver esto es el uso de técnicas de computación paralela, donde se utiliza un gran número de procesadores. Como vía alternativa, un esquema acoplado entre el DEM y el FEM expuesto en la tesis. Con el modelo híbrido DEM/FEM, el DEM es usado solo en las partes del dominio donde presenta ventajas sobre el enfoque continuo del FEM. El acoplamiento puede ser adaptado dinámicamente, comenzando con todo el dominio discretizado con FEM, y durante la simulación, en las regiones donde se encuentran altos niveles de tensión, se emplea un cambio del método de simulación de continuo (FEM) a discreto (DEM). Finalmente, todos los desarrollos son aplicados a la simulación de un proceso excavación real. Se realiza un estudio del proceso de corte de roca con discos costadores, utilizados en tuneladoras, donde el DEM y la técnica de acoplamiento presentan una importante ventaja sobre otras técnicas de simulación.

Una base de datos de 33 km de registros de túnel de EPB en la zona de Barcelona se ha examinado en detalle desde el punto de vista de recambio de herramientas de corte y rendimiento de la excavación mecanizada. La base de datos incluye túneles en suelos blandos, en rocas medias y duras y en condiciones mixtas de roca y suelo. Los datos recabados incluyen registros de cambios de herramientas, operaciones de la maquina (avance, empuje, par, etc.) y propiedades geotécnicas, con un énfasis sistemático en mediciones de abrasividad de los diferentes materiales perforados. Para obtener una descripción homogénea de la abrasividad se realizaron mediciones de abrasividad del tipo LCPC en todos los materiales. Un resumen descriptivo de las principales tendencias reveladas por los datos se presenta en esta tesis. Las paradas de las máquinas durante la perforación se pueden clasificar entre aquellas debidas a un mantenimiento planificado y aquellas debidas a incidentes imprevistos. Los últimos pueden resultar ser decisivos cuando evaluamos el éxito de una perforación, aunque normalmente no son considerados en el proyecto. Uno de los aspectos más exigentes del mantenimiento desde el punto de vista operativo es el de las herramientas de corte, ya que su revisión y posible sustitución siempre implica paradas de la máquina, y como que a menudo es necesario tener acceso al frente, es con frecuencia una operación lenta y difícil. Por lo tanto, es deseable programar el mantenimiento de la cabeza de corte con la precisión máxima posible. Para llevar a cabo tal programación dos aspectos son necesarios: la identificación de ¿umbrales de desgaste¿ de las herramientas y un método que permita estimar el desgaste para cada herramienta como consecuencia de la operación. El objetivo de este estudio es investigar cómo enfrentarse a este problema cuando el medio es heterogéneo y la excavación es mecanizada mediante EPB. Se tiene en cuenta sistemáticamente la heterogeneidad geotécnica transversal y longitudinal. La heterogeneidad longitudinal se usa para segmentar la base de datos en unidades homogéneas. La heterogeneidad transversal (dentro de la sección) se estima por un conjunto de factores de impacto en la presente desarrollados FI. El concepto de energía específica (SE) fue aplicado para evaluar la eficiencia total de la excavación. Procedimientos anteriores para computar SE en excavaciones con TBM fueron adaptados a excavaciones con maquina EPB en modo cerrado. Se tienen en cuenta explícitamente el soporte del frente y el momento rotacional debido a la presión de la tierra. Varios métodos existentes para predecir la tasa de penetración y la vida útil de las herramientas se evalúan respecto a los resultados de la base de datos. Siempre que fuera necesario se realizaron recalibraciones de estos procedimientos. Basadas en un análisis sistemático de los resultados de la base de datos, se proponen nuevas relaciones de origen empírico para estimar la tasa de penetración a partir de otros parámetros operacionales y las propiedades del suelo promediadas por sección. La exactitud de algunas aproximaciones implicadas (concretamente el uso de un tiempo de vida útil equivalente) se ha encontrado razonable usando los resultados de una excavación con los datos que eran lo más exactos posibles. Las relaciones propuestas serian mayormente aplicables como puntos de partida en proyectos en los cuales la geología está compuesta de suelos y rocas blandas y donde son predominantes los frentes heterogéneos. / A database of 33 km of EPB tunnel records in the Barcelona area has been examined in detail from the point of view of cutting tool replacement and performance of the mechanized excavation. The database includes tunnels in soft soils, in hard and medium rocks and in mixed soil-rock conditions. Data gathered includes tool changing records, machine operation (advance, thrust, torque, etc.) and geotechnical properties, with a systematic emphasis on abrasivity measurements of the different materials perforated. To obtain a homogeneous description of abrasivity LCPC-type abrasive measurements were made in all the materials. A descriptive summary of the main trends revealed by the data is presented in this thesis. Machine downtimes during perforation can be classified into those due to planned maintenance and those due to unforeseen incidents. The latter can turn out to be decisive when assessing the success of a perforation, even though they are not usually considered in the project. One of the most demanding aspects of maintenance from an operational point of view is that of the cutting tools, since their revision and possible substitution always involves machine stops and, since it is often necessary to have access to the face, this is frequently a slow and difficult operation. Thus, it is desirable to schedule the cutter head maintenance operations with the highest possible precision. To carry out such scheduling two aspects are necessary: the identification of ¿wear thresholds¿ of the tools and a method that allows estimating the wear for each tool as a result of the operation. The objective of this study is to investigate how to tackle this problem when the media is heterogeneous and the excavation is mechanized by EPB. Transversal and longitudinal geotechnical heterogeneity is systematically accounted for. Longitudinal heterogeneity is used to segment the database in homogeneous units. Transversal (within section) heterogeneity is gauged by a set of newly developed impact factors FI. The specific energy concept (SE) was applied to evaluate overall excavation efficiency. Previous procedures to compute SE in TBM drives were adapted to excavations by EPB machine in closed mode. Face support and rotational moment due to earth pressure at the front face are taken explicitly into account. Several existing methods to predict penetration rate and tool service life are evaluated against the database results. Recalibrations of these procedures were performed when required. Based on a systematic analysis of the database results, new empirically based relations are proposed to estimate penetration rate from other operation parameters and section-averaged ground properties. The accuracy of some approximations involved (namely the use of an equivalent tool life time) has been found reasonable using the results of one drive were more exact computations were possible. The proposed relations would be mostly applicable as starting points in projects in which the geology is composed mostly of soils and soft rock and where the heterogeneous faces are predominant.

Los sistemas modernos de construcción son asociados a tecnologías innovadoras y a los nuevos materiales, sistemas livianos que ofrecen la posibilidad de una mayor rapidez de ejecución por montaje. Estas características influyen en gran medida en el aprovechamiento de los materiales y de la mano de obra, ya que la planificación se hace más sencilla, pudiendo cumplir las metas fijadas en cuanto a los recursos económicos y de tiempo. La demanda de mayor cantidad de viviendas hace necesaria la inversión en investigación para considerar nuevas opciones y encontrar soluciones técnicas apropiadas, esto ha provocado un alto grado de especialización, principalmente en el campo de la ingeniería. Los sistemas constructivos convencionales han evolucionado de acuerdo a nuevos criterios para el análisis, desarrollo de procesos y puesta en obra. De esta manera aumenta su utilización, ofreciendo una resistencia y capacidad de carga que le permita un desempeño igual o superior a los sistemas constructivos que actualmente se encuentran en aplicación. Además de ello, estos sistemas también imponen características físicas apropiadas en los materiales como son propiedades térmicas, antisísmicas, resistencia al fuego y una resistencia acústica aceptable. El trabajo de investigación realizado plantea el estudio de un sistema constructivo basado en paneles conformados por un alma de poliestireno expandido con una malla electrosoldada espacial, revestido externamente con hormigón, micro-hormigón o mortero proyectado en ambas caras. Actualmente este sistema constructivo se encuentra fuera de las normativas españolas, Instrucción de Hormigón Estructural EHE y la norma básica para la edificación NBE, ya que posee materiales no usados convencionalmente de manera estructural. Por tal motivo, la presente tesis pretende una investigación tanto del comportamiento mecánico del elemento, determinando sus propiedades físicas, mediante el uso de herramientas teóricas y experimentales, como de las técnicas de construcción que mejoren la capacidad estructural del sistema. Entre cuyos fundamentos se destacan el análisis del comportamiento como un sistema de tipo estructural, que cumpla con los requisitos necesarios para su aplicación a todo tipo de viviendas, incluso a viviendas de interés social, generando procesos y técnicas constructivas apropiadas para su mejor puesta en obra. Dentro de esta investigación se muestra una metodología para el cálculo estructural de este sistema constructivo basado como se menciona anteriormente en la Normativa Española vigente, si bien adaptado a las características específicas de estos elementos. Para corroborar dicha metodología, se realizaron una serie de campañas experimentales en elementos a diferente escala, igualmente se desarrolló una modelación de cálculo por medio del programa estructural SAP2000, ofreciendo resultados favorables en ambos casos.

Els edificis, des de la construcció, a l'ús, fins a la demolició, són responsables d'un considerable impacte sobre el medi ambient. Bona part de l'impacte ambiental del sector de la construcció està relacionat amb el consum d'energia. Dintre de les fases del cicle de vida de l'edifici, la fase d'ús és aquella en què s'empra la major quantitat de energia. A l'hora de considerar l'impacte del sector, és necessari prendre en compte que la nova construcció és encara predominant a escala global. En projectes de nova construcció és essencial que ja des de les fases de disseny es prenguin les decisions coneixent les seves implicacions en termes d'energia, per a reduir l'impacte negatiu dels futurs edificis. En aquest context, les eines existents per a modelar el funcionament energètic dels edificis poden aplicar-se per a predir les seves prestacions. Alguns autors apunten a aquest tipus d'aplicació com prometedora per a una millor utilització de l'energia en els edificis. A pesar de l'existència d'una gran varietat d'eines que apliquen des de mètodes de càlcul simplificat fins a mètodes de simulació avançada, avui dia el seu ús en la pràctica professional és limitat. Sovint, els càlculs de les prestacions energètiques es limiten a les etapes finals del projecte. En molts casos es tracta de verificacions convencionals, com sol ocórrer en l'aplicació dels procediments de càlcul necessaris per a la certificació energètica. Les auditories energètiques més detallades són desenvolupades per part d'un nombre limitat de consultores energètiques en uns pocs països i es porten a terme per a edificis excepcionals per magnitud i tipologia. Les excepcions existents no són rellevants respecte a l'impacte global del sector de la construcció en el medi ambient. En la majoria dels projectes els procediments de càlcul de les prestacions energètiques no estan integrats al llarg de tot el procés de disseny; la seva eficaç i efectiva incorporació en la rutina dels professionals en suport a les decisions de projecte és fora del comú. Resulta paradoxal que les eines de càlcul s'explotin més en projectes excepcionals que en la gran majoria dels projectes que realment determinar l'impacte del sector. En aquesta tesi, investiguem l'ús de mètodes per al càlcul de les prestacions energètiques dels edificis en la pràctica rutinària del projecte. L'objectiu és entendre millor les barreres i les potencialitats dels diferents tipus de mètode de càlcul que existeixen actualment amb la finalitat de millorar la seva explotació. El nostre interès es dirigeix, més enllà de projectes singulars, cap a la integració de l'avaluació energètica en l'activitat dels professionals comuns. Amb aquest estudi pretenem contribuir a omplir un buit que és reconegut en la literatura: la necessitat de més investigació sobre la integració en el procés de disseny de les eines per al càlcul de les prestacions energètiques dels edificis. La majoria dels estudis s'aproximen a aquest tema des dels camps de l'enginyeria i de la física de la construcció. En canvi, en aquesta tesi s'aborda el tema des de la perspectiva del projecte, parant esment al procés a través del que es genera la solució de projecte. Per tant, el focus no està en l'anàlisi energètica, sinó en la seva integració en el procés de disseny. El treball realitzat inclou una investigació teòrica i dos cas d'estudis. La investigació teòrica abasta àrees disciplinessis que tendeixen a estar separades en la literatura, com el projecte arquitectònic i l'avaluació energètica dels edificis. Aquest enfocament interdisciplinari és la base per a examinar l'ús dels mètodes de càlcul de les prestacions energètica en el context del projecte. Els dos casos d'estudi serveixen de complement a la investigació teòrica. Cadascun se centra en la reconstrucció i l'anàlisi del procés de disseny d'un edifici multi-familiar d'habitatges socials. En ambdós casos hem examinat de quina manera els mètodes de càlcul aplicats per l'equip de projecte han estat integrats en el procés. La investigació teòrica es basa en la revisió de la literatura seguint dues línies paral•leles d'estudi. Una línia aborda el procés de disseny de l'edifici, abastant des d'estudis previs sobre el disseny, fins a metodologies per a la integració de l'avaluació energètica en el procés de disseny. El treball posa en evidència la complexitat del procés de disseny, ressaltant el seu caràcter holístic i dinàmic. L'altra línia d'investigació s'ocupa de l'avaluació energètica dels edificis i en particular dels mètodes per al càlcul de les prestacions energètiques. L'estudi posa de manifest la gran diversitat que existeix en la ventall dels mètodes disponibles. A través d'aquestes dues línies d'investigació s’estableix la base per al següent pas de la investigació: a partir d'aquí es tracta la utilització dels mètodes de càlcul existents en el context del projecte. L'anàlisi teòrica es complementa mitjançant l'observació del disseny en la pràctica professional. L'estudi mostra que part dels obstacles que dificulten una aplicació eficaç de les eines per al càlcul energètic és inherent al procés de disseny. Es posa de manifest que cada fase del procés de disseny és distinta, l'evolució del procés és en gran mesura impredictible i la faceta de l'energia s'ha de conciliar amb altres aspectes del projecte que sorgeixen al llarg del procés. Per aquest motiu no és trivial coordinar l'anàlisi de les prestacions energètiques amb altres tasques de disseny. A més de les dificultats que comporta el disseny, el desafiament per als equips de projecte es complica encara més a causa de la complexitat intrínseca de l'avaluació energètica. En aquest context, la selecció d'una eina apropiada es torna crucial. Estudis precedents destaquen la necessitat d'investigar sobre la identificació de mètodes de càlcul adequats per al disseny. Per aquesta raó, una part central en el treball aborda la identificació d'eines adequades per a les diferents fases del procés de disseny. Estudis anteriors han considerat diverses eines i comparat cadascuna analitzant les seves característiques. En aquesta tesi en canvi, analitzem com aquestes característiques s'adapten a les necessitats d'un equip de professionals que s'enfronta a un procés de disseny, ressaltant les diferències entre cada fase del procés i la singularitat de cada projecte. En particular, identifiquem i analitzem deu factors clau per a la integració de mètodes de càlcul apropiats en el projecte (per exemple, la immediatesa, l'exactitud, la capacitat de resposta a les decisions de disseny i la flexibilitat a les modificacions de projecte). Aquest conjunt de factors permet analitzar sistemàticament com les característiques de les eines de càlcul s'adeqüen a les necessitats del projecte. En aquesta tesi es destaca que la selecció de mètodes de càlcul adequats comporta un compromís difícil. Una aplicació eficaç dels mètodes de càlcul existents requereix la capacitat d'enfrontar-se a necessitats contradictòries, i trobar un equilibri entre elles que sigui adequat per a cada projecte. Per exemple, les necessitats de detall en el model i d'exactitud en el càlcul han de conciliar-se amb a la informació disponible en cada fase de projecte. Alhora, la creació d'un model detallat ha de ser compatible amb la quantitat de temps disponible i amb la necessitat de sincronitzar les tasques de disseny. Així mateix, la complexitat del model ha de ser congruent amb les competències de l'equip de disseny. Tots aquests factors, que són determinants per a l'elecció dels mètodes de càlcul, no són obvis. Es poden comprendre a fons solament si el procés de disseny, un context d'aplicació complex, s'entén amb claredat. El conflicte argumentat en aquesta tesi entre necessitats contraposades dintre d'un mateix projecte ofereix una clau per a explicar l'ús limitat de les eines de càlcul energètic. En contrast amb aquesta tendència, a través de l'anàlisi sistemàtica sobre la integració en el projecte de mètodes de càlcul apropiats, vam intentar construir un marc conceptual que és necessari per a millorar l'aplicació de les eines. Aquesta sistematització és indispensable per a facilitar la identificació d'eines adequades dintre de les pràctiques rutinàries del projecte. La capacitat de seleccionar mètodes de càlcul apropiats és essencial per a que el seu ús s'estengui entre més professionals i per a que les eines de càlcul es puguin explotar d'una manera més fructuosa. / Los edificios, desde la construcción, al uso, hasta la demolición, son responsables de un considerable impacto sobre el medio ambiente. Buena parte del impacto ambiental del sector de la construcción está relacionado con el consumo de energía. Dentro de las fases del ciclo de vida del edificio, la fase de uso es aquella en que se emplea la mayor cantidad de energía. A la hora de considerar el impacto del sector, es necesario tomar en cuenta que la nueva construcción es todavía predominante a escala global. En proyectos de nueva construcción es esencial que ya desde las fases de diseño se tomen las decisiones conociendo sus implicaciones en términos de energía, para reducir el impacto negativo de los futuros edificios. En este contexto, las herramientas existentes para modelar el funcionamiento energético de los edificios pueden aplicarse para predecir sus prestaciones. Algunos autores apuntan a este tipo de aplicación como prometedora para una mejor utilización de la energía en los edificios. A pesar de la existencia de una gran variedad de herramientas que aplican desde métodos de cálculo simplificado hasta métodos de simulación avanzada, hoy día su uso en la práctica profesional es limitado. A menudo los cálculos de las prestaciones energéticas se limitan a las etapas finales del proyecto. En muchos casos se trata de verificaciones convencionales, como suele ocurrir en la aplicación de los procedimientos de cálculo necesarios para la certificación energética. Las auditorías energéticas más detalladas son desarrolladas por parte de un número limitado de consultoras energéticas en unos pocos países y se llevan a cabo para edificios excepcionales por tamaño y tipología. Las excepciones existentes no son relevantes respecto al impacto global del sector de la construcción en el medio ambiente. En la mayoría de los proyectos los procedimientos de cálculo de las prestaciones energéticas no están integrados a lo largo de todo el proceso de diseño; su eficaz y efectiva incorporación en la rutina de los profesionales en soporte a las decisiones de proyecto es fuera de lo común. Resulta paradójico que las herramientas de cálculo se exploten más en proyectos excepcionales que en la gran mayoría de los proyectos que realmente determinar el impacto del sector. En esta tesis, se investiga el uso de métodos para el cálculo de las prestaciones energéticas de los edificios en la práctica rutinaria del proyecto. El objetivo es entender mejor las barreras y las potencialidades de los distintos tipos de método de cálculo que existen actualmente con el fin de mejorar su explotación. Nuestro interés se dirige, más allá de proyectos singulares, hacia la integración de la evaluación energética en la actividad de los profesionales comunes. Con este estudio se pretende contribuir a llenar un vacío que es reconocido en la literatura: la necesidad de más investigación sobre la integración en el proceso de diseño de las herramientas para el cálculo de las prestaciones energéticas de los edificios. La mayoría de los estudios se aproximan a este tema desde los campos de la ingeniería y de la física de la construcción. En cambio, en esta tesis se aborda el tema desde la perspectiva del proyecto, prestando atención al proceso a través del cual se genera la solución de proyecto. Por tanto, el foco no está en el análisis energético, si no en su integración en el proceso de diseño. El trabajo realizado incluye una investigación teórica y dos caso de estudios. La investigación teórica abarca áreas disciplinares que tienden a estar separadas en la literatura, como el proyecto arquitectónico y la evaluación energética de los edificios. Este enfoque interdisciplinario es la base para examinar el uso de los métodos de cálculo de las prestaciones energética en el contexto del proyecto. Los dos casos de estudio sirven de complemento a la investigación teórica. Cada uno se centra en la reconstrucción y el análisis del proceso de diseño de un edificio multifamiliar de viviendas sociales. En ambos casos hemos examinado de qué manera los métodos de cálculo aplicados por el equipo de proyecto han sido integrados en el proceso. La investigación teórica se basa en la revisión de la literatura siguiendo dos líneas paralelas de estudio. Una línea aborda el proceso de diseño del edificio, abarcando desde estudios previos sobre el diseño, hasta metodologías para la integración de la evaluación energética en el proceso de diseño. El trabajo pone en evidencia la complejidad del proceso de diseño, resaltando su carácter holístico y dinámico. La otra línea de investigación se ocupa de la evaluación energética de los edificios y en particular de los métodos para el cálculo de las prestaciones energéticas. El estudio pone de manifiesto la gran diversidad que existe en la abanico de los métodos disponibles. A través de estas dos líneas de investigación se establece la base para el siguiente paso de la investigación: a partir de aquí se trata la utilización de los métodos de cálculo existentes en el contexto del proyecto. El análisis teórico se complementa mediante la observación del diseño en la práctica profesional. El estudio muestra que parte de los obstáculos que dificultan una aplicación eficaz de las herramientas para el cálculo energético es inherente al proceso de diseño. Se pone de manifiesto que cada fase del proceso de diseño es distinta, la evolución del proceso es en gran medida impredecible y la faceta de la energía se tiene que conciliar con otros aspectos del proyecto que surgen a lo largo del proceso. Por este motivo no es trivial coordinar el análisis de las prestaciones energéticas con otras tareas de diseño. Además de las dificultades que conlleva el diseño, el desafío para los equipos de proyecto se complica aún más debido a la complejidad intrínseca de la evaluación energética. En este contexto, la selección de una herramienta apropiada se vuelve crucial. Estudios precedentes destacan la necesidad de investigar sobre la identificación de métodos de cálculo adecuados para el diseño. Por esta razón, una parte central en el trabajo aborda la identificación de herramientas adecuadas para las distintas fases del proceso de diseño. Estudios anteriores han considerado varias herramientas y comparado cada una analizando sus características. En esta tesis en cambio, analizamos como estas características se adaptan a las necesidades de un equipo de profesionales que se enfrenta a un proceso de diseño, resaltando las diferencias entre cada fase del proceso y la singularidad de cada proyecto. En particular, identificamos y analizamos diez factores clave para la integración de métodos de cálculo apropiados en el proyecto (por ejemplo, la inmediatez, la exactitud, la capacidad de respuesta a las decisiones de diseño y la flexibilidad a las modificaciones de proyecto). Este conjunto de factores permite analizar sistemáticamente como las características de las herramientas de cálculo se adecuan a las necesidades del proyecto. En esta tesis se destaca que la selección de métodos de cálculo adecuados conlleva un compromiso difícil. Una aplicación eficaz de los métodos de cálculo existentes requiere la capacidad de hacer frente a necesidades contradictorias, y encontrar un equilibrio entre ellas que sea adecuado para cada proyecto. Por ejemplo, las necesidades de detalle en el modelo y de exactitud en el cálculo tienen que conciliarse con a la información disponible en cada fase de proyecto. A la vez, la creación de un modelo detallado debe ser compatible con la cantidad de tiempo disponible y con la necesidad de sincronizar las tareas de diseño. Asimismo, la complejidad del modelo debe ser congruente con las competencias del equipo de diseño. Todos estos factores, que son determinantes para la elección de los métodos de cálculo, no son obvios. Se pueden comprender a fondo solo si el proceso de diseño, un contexto de aplicación complejo, se entiende con claridad. El conflicto argumentado en esta tesis entre necesidades contrapuestas dentro de un mismo proyecto ofrece una clave para explicar el uso limitado de las herramientas de cálculo energético. En contraste con esta tendencia, a través del análisis sistemático sobre la integración en el proyecto de métodos de cálculo apropiados, intentamos construir un marco conceptual que es necesario para mejorar la aplicación de las herramientas. Esta sistematización es indispensable para facilitar la identificación de herramientas adecuadas dentro de las prácticas rutinarias de proyecto. La capacidad de seleccionar métodos de cálculo apropiados es esencial para que su uso se extienda entre más profesionales y para que las herramientas de cálculo se puedan explotar de un modo más fructuoso. / Buildings, from the construction to the use until the disposal, are responsible for a considerable impact on the environment. Much of the environmental impact of the building sector is related to energy use. In the whole building life-cycle, the largest amount of energy is employed for the building operation. When the sector impact is considered, it is necessary to take into account that new construction is still predominant at a global scale. In projects of new construction it is essential to make energy conscious decisions from the design phases to limit the negative impact of new buildings. In this context the use of existing energy modelling tools to predict building performance is seen as a promising way to improve the energy performance of buildings. Despite the existence of a great variety of tools, which implement from simplified calculation methods to advanced simulation methods, their use in current design practise is limited at present. Often energy calculations are confined to final design stages and conventional verifications, as it frequently occurs in the application of energy certification procedures. Meanwhile, deeper analyses are circumscribed to a few engineering firms in a few countries and they regard exceptional buildings in size and typology. Existing exceptions are not relevant for the global impact of the building sector. In most projects energy modelling is not deeply integrated throughout the whole process. Its effective penetration in routine work of practitioners to support design decisions is very restricted. The paradox is that energy modelling has more application in exceptional projects than in the great majority of projects that really determine the sector impact. In this thesis, the use of energy calculation methods in routine design is investigated. The aim is to better understand the application barriers and the potential of existing modelling approaches, in order to improve their exploitation. Our concern is the integration of energy assessment in the activity of common practitioners behind exceptional cases. With this study we intend to contribute to filling a gap that is recognised in literature: the need for more research on the integration of energy modelling into the design process. Most studies have been carried out in the fields of engineering and building physics. This thesis instead is approached from the design perspective, paying attention to the process by which the design solution is generated. Then the focus is not on energy analysis, but on its integration in the design process. The work carried out includes a theoretical research and two case studies. The theoretical research encompasses disciplines that tend to be separated in literature, as building design and energy performance assessment. This interdisciplinary approach is the base to examine the use of existing modelling methods within the context of building design. The theoretical research is complemented with the two case studies, each one concerning the reconstruction and the analysis of the design process of a multifamily building for social housing. In both cases we have examined how the calculation methods applied by the design team have been integrated into the process. The theoretical research is based on the review of the literature following two parallel lines of inquiry. One line deals with the building design process, spanning from previous studies on design to methodologies for the integration of performance assessment in building design. The work reveals the complexity of design, evidencing the dynamic and holistic nature of the design process. The other line of inquiry deals with energy performance assessment, and in particular, with existing methods for the calculation of the energy performance of buildings. The study gives evidence of the considerable diversity existing in the range of the available methods. These two lines of inquiry set the base for the next step of the research, which focuses on the use of existing modelling methods within the context of building design. Our theoretical analysis is complemented by observation of the real design practice. The study shows that a part of the obstacles that hinder an effective application of energy modelling are inherent to the design process. In fact, the stages of the design process differ from each other, the evolution of the process is largely unpredictable, and the energy aspect must be conciliated with other aspects that rise through the process. So it is not trivial to coordinate the energy assessment with other design tasks. The challenge for design teams is complicated further by the intrinsic complexity of building energy analysis. In this context the selection of an appropriate tool becomes crucial. Precedent studies highlighted the need for research on the identification of suitable modelling methods. For this reason, a central part in the work deals with the identification of appropriate tools to be used at different stages of the design process. Precedent studies have made a screening of individual tools to scrutinize their features. In the thesis instead we focus on how tools features match with design needs, stressing the differences between design stages and the singularity of each project. In particular we identify and discuss ten key factors for the suitability of energy modelling tools (such as feedback immediacy, responsiveness to design decisions, flexibility to design modification, accuracy and so on). This framework provides a systematic way of analysing how tools features match with design needs. The work presented in this thesis highlights that the selection of suitable calculation methods entails a difficult trade-off. In fact, the effective application of existing calculation methods requires the capacity to cope with conflicting needs in order to find a proper balance for each project. For instance, the detail and the accuracy of the model have to adapt to the information available at each design stage. At the same time, the creation of a detailed model must be compatible with the time limitations of the project and the synchronization of design tasks. Likewise, the model complexity must be congruous with the competences of the design team. All these factors, which are determinant for the choice of the energy calculation methods, are not self-evident. They are comprehensible only if the design process, the context of application, is well understood. The conflicting needs that we have identified provide an explanation for the limited use of energy calculation tools. At the same time, the systematic analysis on the suitability of calculation methods constitutes a conceptual framework that may improve the application of tools. In fact, this systematization is necessary to facilitate the identification of suitable tools for routine design. The proper selection of the calculation methods is essential to extend their use and exploit them in a more fruitful way.

Esta tesis doctoral tiene por objeto el estudio teórico y experimental de las posibilidades de la arquitectura industrializada, modular y ligera aplicada a la vivienda, como construcción sostenible. La condición de sostenibilidad, desde el punto de vista físico, se define como el cierre de los ciclos materiales, alcanzándose éste en un sistema determinado cuando no existen flujos de residuos sino que los recursos se reciclan constantemente. Tal condición encuentra un fuerte obstáculo en el modelo productivo que caracteriza a la mayor parte de la industria contemporánea, nacido en la revolución industrial, que puede sintetizarse en la secuencia lineal extracción>fabricación>residuo. En oposición a ello, el modelo productivo en el que se centra investigación es el de la ecología industrial y se basa en el ejemplo de la biosfera como máquina de reciclar. Supone la eliminación del concepto de residuo y puede resumirse en el ciclo reciclaje-fabricación-reciclaje. La hipótesis planteada es que, en el ámbito descrito y con la tecnología actualmente disponible, se puede desarrollar un sistema de gestión de los recursos empleados en el ciclo de vida de los edificios capaz de aproximarse significativamente al cierre de los ciclos materiales. La construcción convencional de edificios en el ámbito local alcanza, tal como se determina en esta investigación, una tasa de reciclaje de un 10% de los recursos empleados. El sistema de gestión desarrollado define las estrategias que lo aproximan el máximo posible al 100% de reciclaje. Encontrar las maneras de evitar el consumo de recursos no renovables y la emisión de residuos contaminantes a lo largo del ciclo de vida del edificio fueron las claves para ello. El campo de estudio está definido por la construcción industrializada, modular y ligera aplicada a la vivienda. En especial, por los sistemas que se comercializan bajo el sistema de alquiler (que hace posible que los módulos regresen a la fábrica una vez cumplida su vida útil, recuperándose sus recursos). Su difusión en muchos países del mundo con ligeras variaciones constructivas, así como la sencillez de los procesos de fabricación, construcción y mantenimiento que emplean permiten suponer que el alcance del modelo de gestión propuesto para el cierre de ciclos podrían extenderse a otros tipos de arquitectura industrializada, otros usos y otros ámbitos geográficos, pudiendo de esta manera llegar a alcanzar una mayor repercusión. / The condition of sustainability, from a physical point of view, is defined as the closure of the material cycle. This is reached in determined systems, in the absence of residual flows, and in which resources are constantly recycled. Such systems can encounter serious obstacles in the productive model that characterises the majority of contemporary industry. The productive model, born during the Industrial Revolution, can be summarised by the following lineal sequence: extraction>manufacture>residue. In contrast, this research focuses on a productive model from the ecological industry, based on the example of the biosphere as a recycling machine. Requiring the elimination of the concept of residues, the system can be summarised by the following cycle: recycling-manufacturing-recycling. The hypothesis posed is as follows: in the aforementioned environment, with the technology presently available, a management system can be developed for resources used in the building life cycle - a system capable of approximating that of the closed material cycle. This research determines that conventional building construction in the local sphere currently manages a recycling value of 10% of used resources. The management system developed defines strategies that bring it as close as possible to 100% recycling. The key was in finding ways to avoid the consumption of non-renewable resources and the emission of harmful residues, throughout the life cycle of the building. The study area is defined by the industrialised construction, modular and lightweight, applied to housing. In particular, by systems that are commercialised under a renting system (making it possible to return the modules to the factory once their useful life is over, therefore recuperating resources). Diffusion of the system across various countries of the world, with small variations, including the simplification of the manufacturing process, construction and maintenance used, allow us to assume that the outreach of the management model proposed for closed cycles could extend to other types of industrialised architecture, and other uses and geographical spheres. Thus gaining a wider repercussion.