Como lo hicieron el PC e Internet en materia de información y comunicación, la Fabricación Aditiva (FA) está revolucionando los procesos de diseño y fabricación, abriendo un nuevo paradigma de producción que genera cambios e innovaciones relevantes en muchos ámbitos. Su impacto actual en otros sectores sugiere que la FA tiene igual potencial para transformar los procesos productivos de la arquitectura y de la construcción. Por ello, la autora se pregunta qué tipo de cambios puede generar y si ello supondrá un cambio de paradigma productivo igualmente disruptivo en estos dos campos. Para responder a ambas cuestiones, la presente tesis ofrece una valoración crítica del potencial de la FA aplicada a la arquitectura, analizando su impacto sobre los procesos de diseño y construcción. La primera parte incluye un estudio transversal de varios sectores de actividad, que permite constatar cómo esta tecnología está generando transformaciones radicales, con implicaciones globales de carácter social, económico y ambiental. En la segunda parte, se analiza la adaptación de la FA a los condicionantes propios de la arquitectura. Para ello, se presentan las iniciativas pioneras en su aplicación a gran escala y los proyectos dirigidos por la autora en el marco académico, que investigan qué procesos son necesarios para implementar esta tecnología desde y hacia el proyecto arquitectónico. Estos trabajos de investigación y experimentación multidisciplinar combinan la búsqueda de nuevos materiales, la creación de herramientas a medida y la programación de códigos de diseño específicos. Por último, se ofrece una síntesis de los resultados que sirve de base para valorar los avances recientes en la aplicación de la FA en la arquitectura, a escala mundial. En conjunto, la tesis demuestra que la investigación en este campo está en plena ebullición y que las aplicaciones de la FA van a generar cambios muy importantes, que suponen el inicio de un nuevo paradigma para el diseño arquitectónico y la construcción. / As did the PC and the Internet for the information and communication realms, Additive Manufacturing (FA) is revolutionizing the design and manufacturing processes, opening up a new production paradigm that generates significant changes and innovations in many areas. Its current impact on other sectors suggests that AM has the same potential to transform the production processes of architecture and construction. The author thus wonders what kind of changes can it generate and whether they will imply a productive paradigm shift that is equally disruptive in these two fields. To answer both questions, this thesis offers a critical assessment of the potential of AM applied to architecture, analyzing its impact on the design and construction processes. The first part includes a cross-sectional study of several activity sectors, which allows seeing how this technology is generating radical transformations, with social, economic and environmental implications at a global scale. The second part analyses the adaptation of AM to the specific conditions of architecture. The thesis presents the pioneering initiatives of its application at largescale, and the projects directed by the author in the academic context, which investigate what processes are necessary to implement this technology to and from the architectural project. These experimental and multidisciplinary works combine the research of new materials, the creation of custom devices and the programming of specific design codes. The synthesis of the results is later used as a reference to identify and assess the current progress in implementing AM technologies in architecture, worldwide. Altogether, the thesis demonstrates that research in this field is currently in full swing. Moreover, the most recent applications also indicate that AM is on track to generate significant changes, which represents the beginning of a new paradigm for architectural design and construction.

The post-war industrialized housing between 1955 and 1985 in Belgrade has been analyzed with its special focus on the transformation capacity on spatial, technical and environmental leveL for future refurbishment. The focal points of the research are industrialized post-war multi-unit housing and their special form of prefabrication models based on integration of systems and components. We call this integrated building models. Since the analysis of the integrated prefabricated systems (prefabricated large panel and skeleton system) and the typology of spatial schemes , are put into correlation: the required adaptability of industrial housing on spatial,technical and energy efficiency level with the technological rules and the values of Building Model (BM).Bearing in mind the level of the functional, structural and physical domain in the industrialized housing models and its configuration, as well as the evaluation of spatial and technical transformations, we will establish in what measure the new integrated strategies and technical solutions based on simple and demountable dry joints, low energy incomes, sustainable materials and construction technology innovations are suitable for post-war housing refurbishment. The author has limited the study to post-war housing built in Beograd between 1955 and 1985, which permitted a more in­depth study of the sample buildings, its configuration model and their systems by means of the resources at hand. Moreover, the social housing built between 1951 and 1955 was discarded because these were built in traditional way and it didn't improve the sample. This research work started with three hypotheses : The industrialized technology and prefabricated construction techniques will prove to be the only ones capable of producing housing within time trame and budgetary constraints. Industrial housing do have enough flexibility and can make transformations on the functional,structural and energy efficiency level. lt is feasible to create the scenarios for the refurbishment of massive housing on the structural,functional and environmental level. The optimization approach to the refurbishment of massive structures will lead to the integration of energy efficient systems. These hypotheses have been corroborated in this project, which consists of three main parts . First, the introduction to post­ war industrialized housing architecture and main characteristics of 'open' technology of prefabricated construction which was one of the countries' most succesfull products. Second,the current situation of post-war massive housing and its transformations. Third:the development of the integrated strategies for the massive housing refurbishment scenarios . The author analyzes the samples of a housing model applying a graph model for the evaluation of the transformations capacity.A graph model is deveeloped to describe the industrialized model based on elements (components , components assemblies) as a diagram of the relations. In the third section integrated rehabilitations strategies are proposed based on the results obtained by graphs' analys is of more flexible cluster-node edges. The fourth section presents the conclusions based on the analyses undertaken; the author provides some recommendations for the retrofitting of industrialized housing in the future. The proposals presented are based on rationality and they avoid subjective approaches. This research project proves that prefabricated construction systems were well-suited for post-war regeneration of Beograd. Their evolution has been positive but irregular. The technology of prefabricated construction was one of the countries ' most succesfull products. The author recommends a revision to be undertaken on the currently available systems in order to maximize their outcome (especially IMS building technology). / La investigación consta del análisis de la vivienda industrializada de la posguerra en Belgrado, enfocado en la capacidad de transformarse a nivel espacial, estructural y ambiental para las futuras reformas. La autora ha limitado el estudio a la vivienda de la posguerra construida en Belgrado entre 1955 y 1985. En cambio, la vivienda social construida entre 1951 y 1955 se excluyó debido a que los edificios fueron construidos de forma tradicional. El objeto central del análisis es la tecnología de la construcción prefabricada. La estructura del edificio se basa en los sistemas y componentes industrializados a pie de obra o en fábrica. Se define el modelo estructural de la vivienda industrializada a base de los componentes, subsistemas y sistemas. Del análisis del modelo industrializado (los grandes paneles de hormigón prefabricados y el sistema de esqueleto) y la tipología de los esquemas espaciales, podemos establecer: 1) la adaptabilidad de las viviendas; 2) la flexibilidad de las estructuras que dan pie a futuras transformaciones. Teniendo en cuenta el nivel funcional y estructural de los modelos industrializados, así como la flexibilidad y la capacidad de transformares, se establece en qué medida las nuevas estrategias y las soluciones técnicas basadas en: las juntas simples y desmontables, el bajo consumo de energía, materiales sostenibles y la tecnología de las innovaciones constructivas; son adecuados para la rehabilitación de viviendas de la posguerra. Este trabajo de investigación se inició con tres hipótesis: La industrialización y las técnicas de construcción prefabricada demostrarán ser las únicas formas viables de construir viviendas, en el marco histórico y presupuestario. La vivienda industrializada tiene suficiente flexibilidad para transformarse a nivel funcional, estructural y medioambiental. Existe la capacidad de crear los "escenarios" necesarios, para la rehabilitación de la vivienda masiva sin necesidad de demolición. Podemos integrar sistemas eficientes mediante la optimización de la rehabilitación de estructuras masivas. El proyecto consta de cuatro partes principales. En primer lugar, la introducción a la arquitectura de posguerra de la vivienda industrializada y principales características de la construcción prefabricada "abierta". En segundo lugar se analiza la situación actual de la vivienda masiva y sus transformaciones al nivel espacial y estructural. La tercera parte consta del desarrollo de las estrategias integrales para la remodelación de la vivienda. La autora analiza los modelos industrializados de los componentes y sistemas integrados usando el "Modelo Gráfico" (Graph Model). El modelo gráfico se ha desarrollado para describir el modelo industrializado basado en elementos (componentes, subsistemas) como un diagrama de las relaciones. Los principales componentes del modelo gráfico son "clusters" o subsistemas, "nodes" o componentes y "edges " o juntas. En la tercera sección se desarrollan las estrategias de rehabilitación que se basan en los resultados obtenidos mediante el análisis de las conexiones más flexibles. La cuarta sección presenta las conclusiones sobre los análisis realizados. La autora ofrece algunas recomendaciones para la adaptación de la vivienda industrializada que se basan en la racionalidad y evitan enfoques subjetivos. Este proyecto de investigación demuestra que los sistemas constructivos prefabricados fueron muy adecuados para la regeneración de la vivienda de la posguerra en Belgrado. Su evolución ha sido positiva, pero irregular. La autora recomienda una revisión de los sistemas constructivos disponibles en la actualidad con el fin de maximizar su resultado (especialmente la tecnología de construcción IMS). El "Graph Model" para los edificios existentes y los nuevos podrá formar parte de la documentación de los proyectos de vivienda industrializada con el fin de maximizar la flexibilidad para transformarse.

Connections between different structural elements, despite the fact that very often have been despised as structural components and have been considered as simple constructive details ,are key elements to guarantee a corree! force distribution and also to ensure a complete fitting between the model used in the design phase and the final built reality. Traditionally they have been design according only to the resistance criterion but, since the introduction of new standards as Eurocode, nowadays their calculation and design can be complemented with stiffness considerations and,still in an early development stage, with their rotation capacity or their ductility. This paper focuses on a particular type of connection: column bases. Besides to summarize all the theoretical approach of the componen! method,the Eurocode predictive method, it has been practically implemented to a specific column base example untilits predictive M-0 behaviour graphs have been obtained. The predicted behaviour of this worked example has been compared with the real ones, extracted from a finite element model appropriately tes ted and calibrated, with the main goal of determining the prediction precision of the method offered by the European standard. Accordi ng to this comparison, this doctoral thesis studies the relations hip between the precision of the M-0 behaviour obtained for the worked example and the stiffness ratio (µ) used.This paper develops new formulation for the stiffnes s ratio that brings it closer to its real val ue. Slight improvements of the predicted rotational behaviour are obtained for the example column base when these new expressions are implemented on the componen! method framework. Finally, and judging by the modest improvement got by affecting exclusively the stiffness ratio value ,this thesis develops mathematical expressions for the unitary stiffness variation (y) that modify the predicted graph plotting and unfailingly brings it closer to the real M-0 representation.In the case studied the precision obtained is nearly absolute. The main future research line proposed by the author is faced to keep on using the working method devised for this docto ral thesis on different geometrical and materialcolumn base configurations. The main objective to be achieved by working the results obtained is to gel a general form ulation, valid for any colum n base configuration, which allows improving its rotational behaviour prediction. Once more reliable approaches can be achieved, the last step of this future research line,and the most importan! for the practica! and professional approach, is jusi the opposite approximation, that is starting off a specific rotationalbehaviour desired by the designer, provide him with severa! possible column bases configurations that satisfy this requirement. / Les unions entre els diversos elements estructurals, malgrat que sovint han estat menystingudes a nivell estructural i s'han considerat com a simples detalls constructius, són claus per garantir la correcta distribució d'esforços i assegurar una avinença entre model utilitzat pel càlcul i realitat construïda. Al llarg dels anys s'han dissenyat exclusivament sota el criteri de resistència aspecte que, arrel de la introducció de les noves normatives tals com l'Eurocodi, actualment es pot complementar amb el de rigidesa i, encara en una fase inicial de desenvolupament, amb el de capacitat de rotació o ductilitat. El present treball aprofundeix en un tipus d'unió determinat: les bases de pilars. A part de resumir tot el marc teòric del mètode dels components, que és el mètode predictiu de l'Eurocodi, aquest és aplicat també a nivell practic en un exemple concret de basa de pilar, arribant a obtenir els grafics que la norma preveu pel seu comportament M-0. Aquests es comparen amb els reals, extrets d'una modelització informàtica amb elements finits convenientment calibrada i testejada, per tal de coneixer la precisió que la predicció del metode ofert per la normativa posseeix. En base a aquesta comparació s'estudia la relació existent entre la precisió del comportament M-0 de la unió obtinguda per l'exemple treballat i el valor del ratio de rigidesa (µ) utilitzat. La tesi desenvolupa una nova formulació pel valor del rati de rigidesa que l'acosta més al real, expressions que quan s'incorporen a les del mètode dels components tan augmentar lleument, amb caracter general, la precisió de la predicció del comportament rotacional obtingut per la basa del pilar. Finalment, i a tenor de la millora modesta que provoca incidir únicament en el valor del rati de rigidesa, la tesi desenvolupa una formulació per la variació unitaria de la rigidesa (y) que modifica el traçat del gràfic M-0 de la predicció i l'acosta indefectiblement al real, aconseguint una precisió gairebé absoluta en el cas d'estudi. La principal línia futura d'investigació que es proposa és seguir amb el mètode de treball ideal en aquesta tesi, amb diferents configuracions geomètriques i materials de bases de pilars.Treballant els resultats extrets l'objectiu és aconseguir una formulació de caràcter general, vàlida per qualsevol configuració de basa de pilar que es tingui, que permeti millorar la predicció del seu comportament rotacional. Un cop aconseguides aproximacions més fiables, l'últim pas a per aquesta línia de treball, i el més important a nivell pràctic i professional, és l'invers, és a dir, a partir d'un determinat comportament rotacional desitjat pel dissenyador, oferir diverses configuracions de bases de pilars possibles.

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.

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.

The ecological -and yet social- imperative of the reduction of environmental impact represents a challenge for todays society and for the industrial lifestyle. This challenge can only be faced through the activation of deep changes in all the productive sectors. Regarding the construction sector, two phenomena must be observed: the demand of conditions that allow social reproduction, and the progressive reduction of the available resources'flow and the polluting wastes emission. Since any action addressing an increase in the efficiency of a process must start reconsidering its own purpose, the utility that it provides, these causes make necessary a redefinition of the usefulness of this sector -i.e., the inhabitability. The concept of inhabitability that gives off from current housing regulations represents a barrier, which hinders the attachment of the demand of sustainability to the building sector. In this context the goal of this thesis appears: Contributing to the redefinition of inhabitability through the prospection and analysis of the diverse models currently recognized in Catalonia, at social and legislative level. Firstly, the detection, analysis and assessment -quantitatively and qualitatively -of all the inhabitability options available to the society opens the door to an essential reconsideration of the inhabitability subject. Through this task it is made clear that inhabitability is not a property identifiable only with housing, but that this notion must be expanded to a wide range of alternative models: military residences; touristic residences; youth residences; religious residences; shelters; student residences; homeless residences; hospital services; penitentiaries; and local services. These models present important differences compared to housing, and they necessarily must be included in the inhabitability frame. Secondly, three sectors will be studied to allow going in depth into the conceptual basis on top of which these models are put together. These three sectors are the wealthiest -from the point of view of the regulation of their inhabitability conditions -and the most prominent in Catalonia: the touristic residences, the social services and the penitentiary services. The result of this task provides some alternatives to the focus of inhabitability: The touristic residences are organized around a model based on gradualism, an inhabitability that presents different degrees or levels. The social services are an example of the adaptation will of the responses to the current diversity of social profiles. The penitentiary services are established as the way to transpose the fundamental rights to habitat, becoming a reference of functional completeness. Finally, the comparison of these three sectors with housing contributes to a double exploration of the redefinition possibilities of inhabitability. On one hand, the current consideration of inhabitability, as a quality arisen from the properties of certain spaces, is questioned through an approximation based on the functions that it must provide to the different social profiles, which exist in the society and in the wide range of satisfiers available nowadays. On the other hand, the legislative mechanisms to define inhabitability, developed in these three sectors, are valued as possible alternative options to the current procedure.

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.

Based on the experience gained during more than 10 years working on energy efficiency in public buildings of various uses, this thesis develops a methodology for intervention in school buildings. The aims were to define the key indicators for identifying opportunities for savings; to assess possible measures for reducing consumption by limiting demand and improving the efficiency of the systems; to analyse and highlight the role played by each of the actors involved in the strategies of use and management of school buildings; and to establish the key criteria for carrying out future energy rehabilitation projects. Chapter 1, Prologue, presents the principles on which the thesis is based. Chapter 2, Presentation of the research, defines the overall objectives: to establish a methodology for analysing the stock of built schools; to identify the tools for making key decisions on energy; and to propose and validate a methodology for intervention regarding energy. It also defines the specific objectives: to identify and define indicators of energy efficiency; to characterise the stock of built schools and consider opportunities for improvement; to consider energy rehabilitation as a priority; to assess school buildings in terms of energy; to establish the strategic lines of action; to promote the objective of reducing consumption; and to identify and demonstrate opportunities for improvement. Finally, the hypothesis is put forward. Chapter 3, Background, frames the thesis within the map of strategies developed by the various government entities and public authorities; it identifies the organisations and regulatory documents and the EU directives; it studies the energy situation in Catalonia and in Barcelona in particular; it analyses the various plans for improving energy; and, finally, it identifies strategies aimed at public buildings and in particular at schools. Chapter 4, State of the art, presents the references of large-scale European experiences consulted, divided into themes: how the stock of schools is analysed using different strategies and methods, and how these are characterised; which parameters are considered; which factors are inevitable; who manages school buildings and how; and how the lines of intervention are established and evaluated economically and environmentally. Chapter 5, Research methodology, presents the work done prior to the writing of the thesis and presents the methodology of analysis used to evaluate the school buildings under study. It specifies how the sample was identified, how the problems were diagnosed, how the buildings were assessed in terms of energy, the parameters of comfort and the resource management. Finally, it identifies the key indicators used to obtain the research results. Chapter 6, Results, presents the exploratory analysis of general data and of the buildings, which were subjected to a detailed study and a multivariate analysis using the indicators identified in the methodology, and a multiple regression analysis of the results which validated the research arguments. Finally, Chapter 7, Conclusions, first states that the general and specific objectives stated at the beginning of the research project have been fulfilled and argues that the hypothesis is valid. It then presents the final results of the research, which could and should be used by authorities responsible for school building management to design intervention strategies for existing buildings regarding energy and environment. Finally, it suggests future lines of research that should be implemented to solve some of the current sustainability challenges related to construction and the associated energy consumption. / A partir de l'experiència adquirida durant més de 10 anys treballant en eficiència energètica en edificis públics d'usos diversos, es planteja la present tesi, en la qual es desenvolupa una metodologia d'intervenció en edificis docents que permet: definir els indicadors clau per identificar les oportunitats d'estalvi en els edificis; avaluar les possibles mesures de reducció de consums a partir de la limitació de la demanda i de la millora de l'eficiència dels sistemes; analitzar i donar pes al paper de cadascun dels actors que intervenen en les estratègies d'ús i gestió dels edificis escolars, i establir els criteris clau que cal considerar per realitzar les futures intervencions de rehabilitació energètica. En el capítol 1, 'Pròleg', s'hi presenten els principis sobre els qual es fonamenta aquesta tesi. En el capítol 2, 'Presentació de la investigació', se'n defineixen els objectius generals: establir una metodologia d'anàlisi del parc escolar edificat; conèixer les eines per a la presa de decisions en clau energètica, i proposar una metodologia d'intervenció en clau energètica i validar-la. Se'n defineixen també els objectius específics: identificar i definir els indicadors d'eficiència energètica; caracteritzar el parc escolar edificat i albirar les oportunitats de millora; considerar la rehabilitació energètica com a prioritat; avaluar els edificis escolars en clau energètica; establir les línies estratègiques d'actuació; potenciar l'objectiu de la reducció dels consums, i identificar i mostrar les oportunitats de millora. Finalment es planteja la hipòtesi. El capítol 3, 'Antecedents', emmarca la tesi en el mapa d'estratègies desenvolupades per les diferents entitats de govern i ens de l'Administració; s'identifiquen els organismes i els documents normatius i les directives europees; s'estudia la situació energètica a Catalunya i en concret a Barcelona; s'analitzen els diferents plans de millora energètica, i finalment s'identifiquen les estratègies dirigides als edificis públics i, en concret, als centres escolars. Dins el capítol 4, 'Estat de la qüestió', s'hi poden trobar, endreçades temàticament, les referències consultades d'experiències europees a gran escala: com s'analitza el parc escolar a partir de diferents estratègies i mètodes, com es caracteritzen, quins paràmetres es consideren, quins condicionants són inevitables, qui gestiona i com els edificis escolars, com s'estableixen línies d'intervenció i com s'avaluen econòmica i ambientalment. En el capítol 5, 'Metodologia de la recerca', es presenta el recorregut previ a l'elaboració de la tesi i es presenta la metodologia d'anàlisi utilitzada per a l'avaluació dels edificis escolars objecte d'estudi. S'especifica com s'ha identificat la mostra, com s'han diagnosticat els problemes, com s'han avaluat energèticament els edificis, els paràmetres de confort i la gestió dels recursos, i, finalment, s'han identificat els indicadors clau que s'utilitzaran per a l'obtenció dels resultats de la recerca. Per al capítol 6, 'Resultats', s'ha fet ús de l'anàlisi exploratòria de dades generals i dels edificis objecte d'estudi de detall, i s'ha fet una anàlisi multivariable a partir dels indicadors identificats en la metodologia i una anàlisi dels resultats a partir de la regressió múltiple, que ha permès validar l'argumentari de la recerca. Finalment, el capítol 7, 'Conclusions', presenta un primer cos en el qual es verifica el compliment dels objectius generals i específics plantejats a l'inici de la recerca i s'argumenta la validesa de la hipòtesi. En un segon apartat es conclouen els resultats de la recerca, que podrien i haurien de servir, a les administracions gestores del parc escolar edificat, en el disseny d'estratègies d'intervenció en edificació existent, en clau energètica i ambiental. També s'albiren les futures línies de recerca que s'haurien d'implementar per resoldre alguns dels actuals reptes quant a sostenibilitat,