Substructuring approache in state space models for dynamic system parameters identification

In the recent decade, the request for structural health monitoring expertise increased exponentially in the United States. The aging issues that most of the transportation structures are experiencing can put in serious jeopardy the economic system of a region as well as of a country. At the same time, the monitoring of structures is a central topic of discussion in Europe, where the preservation of historical buildings has been addressed over the last four centuries. More recently, various concerns arose about security performance of civil structures after tragic events such the 9/11 or the 2011 Japan earthquake: engineers looks for a design able to resist exceptional loadings due to earthquakes, hurricanes and terrorist attacks. After events of such a kind, the assessment of the remaining life of the structure is at least as important as the initial performance design. Consequently, it appears very clear that the introduction of reliable and accessible damage assessment techniques is crucial for the localization of issues and for a correct and immediate rehabilitation. The System Identification is a branch of the more general Control Theory. In Civil Engineering, this field addresses the techniques needed to find mechanical characteristics as the stiffness or the mass starting from the signals captured by sensors. The objective of the Dynamic Structural Identification (DSI) is to define, starting from experimental measurements, the modal fundamental parameters of a generic structure in order to characterize, via a mathematical model, the dynamic behavior. The knowledge of these parameters is helpful in the Model Updating procedure, that permits to define corrected theoretical models through experimental validation. The main aim of this technique is to minimize the differences between the theoretical model results and in situ measurements of dynamic data. Therefore, the new model becomes a very effective control practice when it comes to rehabilitation of structures or damage assessment. The instrumentation of a whole structure is an unfeasible procedure sometimes because of the high cost involved or, sometimes, because it’s not possible to physically reach each point of the structure. Therefore, numerous scholars have been trying to address this problem. In general two are the main involved methods. Since the limited number of sensors, in a first case, it’s possible to gather time histories only for some locations, then to move the instruments to another location and replay the procedure. Otherwise, if the number of sensors is enough and the structure does not present a complicate geometry, it’s usually sufficient to detect only the principal first modes. This two problems are well presented in the works of Balsamo [1] for the application to a simple system and Jun [2] for the analysis of system with a limited number of sensors. Once the system identification has been carried, it is possible to access the actual system characteristics. A frequent practice is to create an updated FEM model and assess whether the structure fulfills or not the requested functions. Once again the objective of this work is to present a general methodology to analyze big structure using a limited number of instrumentation and at the same time, obtaining the most information about an identified structure without recalling methodologies of difficult interpretation. A general framework of the state space identification procedure via OKID/ERA algorithm is developed and implemented in Matlab. Then, some simple examples are proposed to highlight the principal characteristics and advantage of this methodology. A new algebraic manipulation for a prolific use of substructuring results is developed and implemented.

Quantum groups and vertex models

Nella tesi vengono presentate alcune relazioni fra gruppi quantici e modelli reticolari. In particolare si associa un modello vertex a una rappresentazione di un'algebra inviluppante quantizzata affine e si mostra che, specializzando il parametro quantistico ad una radice dell'unità, si manifestano speciali simmetrie.

Statistical Mechanics of Monomer-Dimer Models on Complete and Erdös-Rényi Graphs

Nella tesi sono trattate due famiglie di modelli meccanico statistici su vari grafi: i modelli di spin ferromagnetici (o di Ising) e i modelli di monomero-dimero. Il primo capitolo è dedicato principalmente allo studio del lavoro di Dembo e Montanari, in cui viene risolto il modello di Ising su grafi aleatori. Nel secondo capitolo vengono studiati i modelli di monomero-dimero, a partire dal lavoro di Heilemann e Lieb,con l'intento di dare contributi nuovi alla teoria. I principali temi trattati sono disuguaglianze di correlazione, soluzioni esatte su alcuni grafi ad albero e sul grafo completo, la concentrazione dell'energia libera intorno al proprio valor medio sul grafo aleatorio diluito di Erdös-Rényi.

Color/kinematic duality, double copies and scalar matrix models

In questa tesi presentiamo una descrizione autoconsistente della dualità Colore/Cinematica nelle teorie di gauge e al processo di Double Copy. Particolare attenzione viene data all'approccio alla dualità con il formalismo di cono-luce, in quanto semplifica notevolmente sia il calcolo sia l'interpretazione fisica: vengono indagati i settori duale e self-duale per poi passare al modello di Chalmers e Siegel per l'estensione alla teoria generale. Proponiamo quindi uno Scalar Matrix Model, che può essere un buon modello per generare ampiezze ottenibili da una Double Copy `inversa', e ne studiamo un'eventuale dualità a la Colore/Cinematica. Vengono illustrati alcuni casi particolari di rottura spontanea di simmetria. In appendice riportiamo un notebook di Mathematica per il calcolo di ampiezze tree level di puro gauge, utile per i calcoli necessari allo studio della dualità.

Micro-simulation models at neighbourhood scale: the interplay of agents, buildings, activities and transport.

Urban systems consist of several interlinked sub-systems - social, economic, institutional and environmental – each representing a complex system of its own and affecting all the others at various structural and functional levels. An urban system is represented by a number of “human” agents, such as individuals and households, and “non-human” agents, such as buildings, establishments, transports, vehicles and infrastructures. These two categories of agents interact among them and simultaneously produce impact on the system they interact with. Try to understand the type of interactions, their spatial and temporal localisation to allow a very detailed simulation trough models, turn out to be a great effort and is the topic this research deals with. An analysis of urban system complexity is here presented and a state of the art review about the field of urban models is provided. Finally, six international models - MATSim, MobiSim, ANTONIN, TRANSIMS, UrbanSim, ILUTE - are illustrated and then compared.

Dupire's formula for exponential Lévy models

Questa tesi è incentrata sull'analisi della formula di Dupire, che permette di ottenere un'espressione della volatilità locale, nei modelli di Lévy esponenziali. Vengono studiati i modelli di mercato Merton, Kou e Variance Gamma dimostrando che quando si è off the money la volatilità locale tende ad infinito per il tempo di maturità delle opzioni che tende a zero. In particolare viene proposta una procedura di regolarizzazione tale per cui il processo di volatilità locale di Dupire ricrea i corretti prezzi delle opzioni anche quando si ha la presenza di salti. Infine tale risultato viene provato numericamente risolvendo il problema di Cauchy per i prezzi delle opzioni.

Forward implied volatility expansions in LSV models

In this work we address the problem of finding formulas for efficient and reliable analytical approximation for the calculation of forward implied volatility in LSV models, a problem which is reduced to the calculation of option prices as an expansion of the price of the same financial asset in a Black-Scholes dynamic. Our approach involves an expansion of the differential operator, whose solution represents the price in local stochastic volatility dynamics. Further calculations then allow to obtain an expansion of the implied volatility without the aid of any special function or expensive from the computational point of view, in order to obtain explicit formulas fast to calculate but also as accurate as possible.

Influence of advanced load simulation models on fatigue design of jackets for offshore wind turbines.

Constant developments in the field of offshore wind energy have increased the range of water depths at which wind farms are planned to be installed. Therefore, in addition to monopile support structures suitable in shallow waters (up to 30 m), different types of support structures, able to withstand severe sea conditions at the greater water depths, have been developed. For water depths above 30 m, the jacket is one of the preferred support types. Jacket represents a lightweight support structure, which, in combination with complex nature of environmental loads, is prone to highly dynamic behavior. As a consequence, high stresses with great variability in time can be observed in all structural members. The highest concentration of stresses occurs in joints due to their nature (structural discontinuities) and due to the existence of notches along the welds present in the joints. This makes them the weakest elements of the jacket in terms of fatigue. In the numerical modeling of jackets for offshore wind turbines, a reduction of local stresses at the chord-brace joints, and consequently an optimization of the model, can be achieved by implementing joint flexibility in the chord-brace joints. Therefore, in this work, the influence of joint flexibility on the fatigue damage in chord-brace joints of a numerical jacket model, subjected to advanced load simulations, is studied.

Turbulence models in the atmospheric boundary layer under convective conditions

In this work a modelization of the turbulence in the atmospheric boundary layer, under convective condition, is made. For this aim, the equations that describe the atmospheric motion are expressed through Reynolds averages and, then, they need closures. This work consists in modifying the TKE-l closure used in the BOLAM (Bologna Limited Area Model) forecast model. In particular, the single column model extracted from BOLAM is used, which is modified to obtain other three different closure schemes: a non-local term is added to the flux- gradient relations used to close the second order moments present in the evolution equation of the turbulent kinetic energy, so that the flux-gradient relations become more suitable for simulating an unstable boundary layer. Furthermore, a comparison among the results obtained from the single column model, the ones obtained from the three new schemes and the observations provided by the known case in literature ”GABLS2” is made.

Pricing in stochastic-local volatility models with default

In recent years is becoming increasingly important to handle credit risk. Credit risk is the risk associated with the possibility of bankruptcy. More precisely, if a derivative provides for a payment at cert time T but before that time the counterparty defaults, at maturity the payment cannot be effectively performed, so the owner of the contract loses it entirely or a part of it. It means that the payoff of the derivative, and consequently its price, depends on the underlying of the basic derivative and on the risk of bankruptcy of the counterparty. To value and to hedge credit risk in a consistent way, one needs to develop a quantitative model. We have studied analytical approximation formulas and numerical methods such as Monte Carlo method in order to calculate the price of a bond. We have illustrated how to obtain fast and accurate pricing approximations by expanding the drift and diffusion as a Taylor series and we have compared the second and third order approximation of the Bond and Call price with an accurate Monte Carlo simulation. We have analysed JDCEV model with constant or stochastic interest rate. We have provided numerical examples that illustrate the effectiveness and versatility of our methods. We have used Wolfram Mathematica and Matlab.

Zoomed simulations of Halo segregation in cosmological models with two species of coupled dark matter

La materia ordinaria copre soli pochi punti percentuali della massa-energia totale dell'Universo, che è invece largamente dominata da componenti “oscure”. Il modello standard usato per descriverle è il modello LambdaCDM. Nonostante esso sembri consistente con la maggior parte dei dati attualmente disponibili, presenta alcuni problemi fondamentali che ad oggi restano irrisolti, lasciando spazio per lo studio di modelli cosmologici alternativi. Questa Tesi mira a studiare un modello proposto recentemente, chiamato “Multi-coupled Dark Energy” (McDE), che presenta interazioni modificate rispetto al modello LambdaCDM. In particolare, la Materia Oscura è composta da due diversi tipi di particelle con accoppiamento opposto rispetto ad un campo scalare responsabile dell'Energia Oscura. L'evoluzione del background e delle perturbazioni lineari risultano essere indistinguibili da quelle del modello LambdaCDM. In questa Tesi viene presentata per la prima volta una serie di simulazioni numeriche “zoomed”. Esse presentano diverse regioni con risoluzione differente, centrate su un singolo ammasso di interesse, che permettono di studiare in dettaglio una singola struttura senza aumentare eccessivamente il tempo di calcolo necessario. Un codice chiamato ZInCo, da me appositamente sviluppato per questa Tesi, viene anch'esso presentato per la prima volta. Il codice produce condizioni iniziali adatte a simulazioni cosmologiche, con differenti regioni di risoluzione, indipendenti dal modello cosmologico scelto e che preservano tutte le caratteristiche dello spettro di potenza imposto su di esse. Il codice ZInCo è stato usato per produrre condizioni iniziali per una serie di simulazioni numeriche del modello McDE, le quali per la prima volta mostrano, grazie all'alta risoluzione raggiunta, che l'effetto di segregazione degli ammassi avviene significativamente prima di quanto stimato in precedenza. Inoltre, i profili radiale di densità ottenuti mostrano un appiattimento centrale nelle fasi iniziali della segregazione. Quest'ultimo effetto potrebbe aiutare a risolvere il problema “cusp-core” del modello LambdaCDM e porre limiti ai valori dell'accoppiamento possibili.

Monoidal categories for the physics of integrable models

Scopo di questa tesi é di evidenziare le connessioni tra le categorie monoidali, l'equazione di Yang-Baxter e l’integrabilità di alcuni modelli. Oggetto prinacipale del nostro lavoro é stato il monoide di Frobenius e come sia connesso alle C∗-algebre. In questo contesto la totalità delle dimostrazioni sfruttano la strumentazione dell'algebra diagrammatica. Nel corso del lavoro di tesi sono state riprodotte tali dimostrazioni tramite il più familiare linguaggio dell’algebra multilineare allo scopo di rendere più fruibili questi risultati ad un raggio più ampio di potenziali lettori.

A two-body study of dynamical expansion in the XXZ spin chain and equivalent interacting fermion models

Lo scopo di questa tesi è studiare l'espansione dinamica di due fermioni interagenti in una catena unidimensionale cercando di definire il ruolo degli stati legati durante l'evoluzione temporale del sistema. Lo studio di questo modello viene effettuato a livello analitico tramite la tecnica del Bethe ansatz, che ci fornisce autovalori ed autovettori dell'hamiltoniana, e se ne valutano le proprietà statiche. Particolare attenzione è stata dedicata alle caratteristiche dello spettro al variare dell'interazione tra le due particelle e alle caratteristiche degli autostati. Dalla risoluzione dell'equazione di Bethe vengono ricercate le soluzioni che danno luogo a stati legati delle due particelle e se ne valuta lo spettro energetico in funzione del momento del centro di massa. Si è studiato inoltre l'andamento del numero delle soluzioni, in particolare delle soluzioni che danno luogo ad uno stato legato, al variare della lunghezza della catena e del parametro di interazione. La valutazione delle proprietà dinamiche del modello è stata effettuata tramite l'utilizzo dell'algoritmo t-DMRG (time dependent - Density Matrix Renormalization Group). Questo metodo numerico, che si basa sulla decimazione dello spazio di Hilbert, ci permette di avere accesso a quantità che caratterizzano la dinamica quali la densità e la velocità di espansione. Da queste sono stati estratti i proli dinamici della densità e della velocità di espansione al variare del valore del parametro di interazione.

String inflationary models with non-monotonic slow-roll and detectable tensor modes

The first chapter of this work has the aim to provide a brief overview of the history of our Universe, in the context of string theory and considering inflation as its possible application to cosmological problems. We then discuss type IIB string compactifications, introducing the study of the inflaton, a scalar field candidated to describe the inflation theory. The Large Volume Scenario (LVS) is studied in the second chapter paying particular attention to the stabilisation of the Kähler moduli which are four-dimensional gravitationally coupled scalar fields which parameterise the size of the extra dimensions. Moduli stabilisation is the process through which these particles acquire a mass and can become promising inflaton candidates. The third chapter is devoted to the study of Fibre Inflation which is an interesting inflationary model derived within the context of LVS compactifications. The fourth chapter tries to extend the zone of slow-roll of the scalar potential by taking larger values of the field φ. Everything is done with the purpose of studying in detail deviations of the cosmological observables, which can better reproduce current experimental data. Finally, we present a slight modification of Fibre Inflation based on a different compactification manifold. This new model produces larger tensor modes with a spectral index in good agreement with the date released in February 2015 by the Planck satellite.

Edge states and zero modes in quadratic fermionic models on a 1-D lattice

In una formulazione rigorosa della teoria quantistica, la definizione della varietà Riemanniana spaziale su cui il sistema è vincolato gioca un ruolo fondamentale. La presenza di un bordo sottolinea l'aspetto quantistico del sistema: l'imposizione di condizioni al contorno determina la discretizzazione degli autovalori del Laplaciano, come accade con condizioni note quali quelle periodiche, di Neumann o di Dirichlet. Tuttavia, non sono le uniche possibili. Qualsiasi condizione al bordo che garantisca l'autoaggiunzione dell' operatore Hamiltoniano è ammissibile. Tutte le possibili boundary conditions possono essere catalogate a partire dalla richiesta di conservazione del flusso al bordo della varietà. Alcune possibili condizioni al contorno, permettono l'esistenza di stati legati al bordo, cioè autostati dell' Hamiltoniana con autovalori negativi, detti edge states. Lo scopo di questa tesi è quello di investigare gli effetti di bordo in sistemi unidimensionali implementati su un reticolo discreto, nella prospettiva di capire come simulare proprietà di edge in un reticolo ottico. Il primo caso considerato è un sistema di elettroni liberi. La presenza di edge states è completamente determinata dai parametri di bordo del Laplaciano discreto. Al massimo due edge states emergono, e possono essere legati all' estremità destra o sinistra della catena a seconda delle condizioni al contorno. Anche il modo in cui decadono dal bordo al bulk e completamente determinato dalla scelta delle condizioni. Ammettendo un' interazione quadratica tra siti primi vicini, un secondo tipo di stati emerge in relazione sia alle condizioni al contorno che ai parametri del bulk. Questi stati sono chiamati zero modes, in quanto esiste la possibilità che siano degeneri con lo stato fondamentale. Per implementare le più generali condizioni al contorno, specialmente nel caso interagente, è necessario utilizzare un metodo generale per la diagonalizzazione, che estende la tecnica di Lieb-Shultz-Mattis per Hamiltoniane quadratiche a matrici complesse.