Size Effect and Notch Size Effect in Metal Fatigue

It is a well known phenomenon that the constant amplitude fatigue limit of a large component is lower than the fatigue limit of a small specimen made of the same material. In notched components the opposite occurs: the fatigue limit defined as the maximum stress at the notch is higher than that achieved with smooth specimens. These two effects have been taken into account in most design handbooks with the help of experimental formulas or design curves. The basic idea of this study is that the size effect can mainly be explained by the statistical size effect. A component subjected to an alternating load can be assumed to form a sample of initiated cracks at the end of the crack initiation phase. The size of the sample depends on the size of the specimen in question. The main objective of this study is to develop a statistical model for the estimation of this kind of size effect. It was shown that the size of a sample of initiated cracks shall be based on the stressed surface area of the specimen. In case of varying stress distribution, an effective stress area must be calculated. It is based on the decreasing probability of equally sized initiated cracks at lower stress level. If the distribution function of the parent population of cracks is known, the distribution of the maximum crack size in a sample can be defined. This makes it possible to calculate an estimate of the largest expected crack in any sample size. The estimate of the fatigue limit can now be calculated with the help of the linear elastic fracture mechanics. In notched components another source of size effect has to be taken into account. If we think about two specimens which have similar shape, but the size is different, it can be seen that the stress gradient in the smaller specimen is steeper. If there is an initiated crack in both of them, the stress intensity factor at the crack in the larger specimen is higher. The second goal of this thesis is to create a calculation method for this factor which is called the geometric size effect. The proposed method for the calculation of the geometric size effect is also based on the use of the linear elastic fracture mechanics. It is possible to calculate an accurate value of the stress intensity factor in a non linear stress field using weight functions. The calculated stress intensity factor values at the initiated crack can be compared to the corresponding stress intensity factor due to constant stress. The notch size effect is calculated as the ratio of these stress intensity factors. The presented methods were tested against experimental results taken from three German doctoral works. Two candidates for the parent population of initiated cracks were found: the Weibull distribution and the log normal distribution. Both of them can be used successfully for the prediction of the statistical size effect for smooth specimens. In case of notched components the geometric size effect due to the stress gradient shall be combined with the statistical size effect. The proposed method gives good results as long as the notch in question is blunt enough. For very sharp notches, stress concentration factor about 5 or higher, the method does not give sufficient results. It was shown that the plastic portion of the strain becomes quite high at the root of this kind of notches. The use of the linear elastic fracture mechanics becomes therefore questionable.

Logistic regression to estimate the welfare of broiler breeders in relation to environmental and behavioral variables

The increasing demand of consumer markets for the welfare of birds in poultry house has motivated many scientific researches to monitor and classify the welfare according to the production environment. Given the complexity between the birds and the environment of the aviary, the correct interpretation of the conduct becomes an important way to estimate the welfare of these birds. This study obtained multiple logistic regression models with capacity of estimating the welfare of broiler breeders in relation to the environment of the aviaries and behaviors expressed by the birds. In the experiment, were observed several behaviors expressed by breeders housed in a climatic chamber under controlled temperatures and three different ammonia concentrations from the air monitored daily. From the analysis of the data it was obtained two logistic regression models, of which the first model uses a value of ammonia concentration measured by unit and the second model uses a binary value to classify the ammonia concentration that is assigned by a person through his olfactory perception. The analysis showed that both models classified the broiler breeder's welfare successfully.

Evaluation of empirical methods to estimate reference evapotranspiration in Uberaba, State of Minas Gerais, Brazil

Evapotranspiration is the process of water loss of vegetated soil due to evaporation and transpiration, and it may be estimated by various empirical methods. This study had the objective to carry out the evaluation of the performance of the following methods: Blaney-Criddle, Jensen-Haise, Linacre, Solar Radiation, Hargreaves-Samani, Makkink, Thornthwaite, Camargo, Priestley-Taylor and Original Penman in the estimation of the potential evapotranspiration when compared to the Penman-Monteith standard method (FAO56) to the climatic conditions of Uberaba, state of Minas Gerais, Brazil. A set of 21 years monthly data (1990 to 2010) was used, working with the climatic elements: temperature, relative humidity, wind speed and insolation. The empirical methods to estimate reference evapotranspiration were compared with the standard method using linear regression, simple statistical analysis, Willmott agreement index (d) and performance index (c). The methods Makkink and Camargo showed the best performance, with "c" values ​​of 0.75 and 0.66, respectively. The Hargreaves-Samani method presented a better linear relation with the standard method, with a correlation coefficient (r) of 0.88.

Method adjustment and equation set of maximum rainfall intensity, duration and frequency in the Mato Grosso do Sul State

Due to the lack of information concerning maximum rainfall equations for most locations in Mato Grosso do Sul State, the alternative for carrying out hydraulic work projects has been information from meteorological stations closest to the location in which the project is carried out. Alternative methods, such as 24 hours rain disaggregation method from rainfall data due to greater availability of stations and longer observations can work. Based on this approach, the objective of this study was to estimate maximum rainfall equations for Mato Grosso do Sul State by adjusting the 24 hours rain disaggregation method, depending on data obtained from rain gauge stations from Dourado and Campo Grande. For this purpose, data consisting of 105 rainfall stations were used, which are available in the ANA (Water Resources Management National Agency) database. Based on the results we concluded: the intense rainfall equations obtained by pluviogram analysis showed determination coefficient above 99%; and the performance of 24 hours rain disaggregation method was classified as excellent, based on relative average error WILMOTT concordance index (1982).

Statistical analysis of survey-based event history data with application to modeling of unemployment duration

Longitudinal surveys are increasingly used to collect event history data on person-specific processes such as transitions between labour market states. Surveybased event history data pose a number of challenges for statistical analysis. These challenges include survey errors due to sampling, non-response, attrition and measurement. This study deals with non-response, attrition and measurement errors in event history data and the bias caused by them in event history analysis. The study also discusses some choices faced by a researcher using longitudinal survey data for event history analysis and demonstrates their effects. These choices include, whether a design-based or a model-based approach is taken, which subset of data to use and, if a design-based approach is taken, which weights to use. The study takes advantage of the possibility to use combined longitudinal survey register data. The Finnish subset of European Community Household Panel (FI ECHP) survey for waves 1–5 were linked at person-level with longitudinal register data. Unemployment spells were used as study variables of interest. Lastly, a simulation study was conducted in order to assess the statistical properties of the Inverse Probability of Censoring Weighting (IPCW) method in a survey data context. The study shows how combined longitudinal survey register data can be used to analyse and compare the non-response and attrition processes, test the missingness mechanism type and estimate the size of bias due to non-response and attrition. In our empirical analysis, initial non-response turned out to be a more important source of bias than attrition. Reported unemployment spells were subject to seam effects, omissions, and, to a lesser extent, overreporting. The use of proxy interviews tended to cause spell omissions. An often-ignored phenomenon classification error in reported spell outcomes, was also found in the data. Neither the Missing At Random (MAR) assumption about non-response and attrition mechanisms, nor the classical assumptions about measurement errors, turned out to be valid. Both measurement errors in spell durations and spell outcomes were found to cause bias in estimates from event history models. Low measurement accuracy affected the estimates of baseline hazard most. The design-based estimates based on data from respondents to all waves of interest and weighted by the last wave weights displayed the largest bias. Using all the available data, including the spells by attriters until the time of attrition, helped to reduce attrition bias. Lastly, the simulation study showed that the IPCW correction to design weights reduces bias due to dependent censoring in design-based Kaplan-Meier and Cox proportional hazard model estimators. The study discusses implications of the results for survey organisations collecting event history data, researchers using surveys for event history analysis, and researchers who develop methods to correct for non-sampling biases in event history data.

Brain tissue segmentation using q-entropy in multiple sclerosis magnetic resonance images

The loss of brain volume has been used as a marker of tissue destruction and can be used as an index of the progression of neurodegenerative diseases, such as multiple sclerosis. In the present study, we tested a new method for tissue segmentation based on pixel intensity threshold using generalized Tsallis entropy to determine a statistical segmentation parameter for each single class of brain tissue. We compared the performance of this method using a range of different q parameters and found a different optimal q parameter for white matter, gray matter, and cerebrospinal fluid. Our results support the conclusion that the differences in structural correlations and scale invariant similarities present in each tissue class can be accessed by generalized Tsallis entropy, obtaining the intensity limits for these tissue class separations. In order to test this method, we used it for analysis of brain magnetic resonance images of 43 patients and 10 healthy controls matched for gender and age. The values found for the entropic q index were 0.2 for cerebrospinal fluid, 0.1 for white matter and 1.5 for gray matter. With this algorithm, we could detect an annual loss of 0.98% for the patients, in agreement with literature data. Thus, we can conclude that the entropy of Tsallis adds advantages to the process of automatic target segmentation of tissue classes, which had not been demonstrated previously.

Estimate of respiration rate and physicochemical changes of fresh-cut apples stored under different temperatures

In this study, the influence of storage temperature and passive modified packaging (PMP) on the respiration rate and physicochemical properties of fresh-cut Gala apples (Malus domestica B.) was investigated. The samples were packed in flexible multilayer bags and stored at 2 °C, 5 °C, and 7 °C for eleven days. Respiration rate as a function of CO2 and O2 concentrations was determined using gas chromatography. The inhibition parameters were estimated using a mathematical model based on Michaelis-Menten equation. The following physicochemical properties were evaluated: total soluble solids, pH, titratable acidity, and reducing sugars. At 2 °C, the maximum respiration rate was observed after 150 hours. At 5 °C and 7 °C the maximum respiration rates were observed after 100 and 50 hours of storage, respectively. The inhibition model results obtained showed a clear effect of CO2 on O2 consumption. The soluble solids decreased, although not significantly, during storage at the three temperatures studied. Reducing sugars and titratable acidity decreased during storage and the pH increased. These results indicate that the respiration rate influenced the physicochemical properties.

Estimate of dietary intake of chloropropanols (3-MCPD and 1,3-DCP) and health risk assessment

Chloropropanols, including 3-monochloropropane-1,2-diol (3-MCPD) and 1,3-dichloropropan-2-ol (1,3-DCP), comprise a group of chemical contaminants with carcinogenic and genotoxic properties. They have been found in a variety of processed foods and food ingredients, such as hydrolyzed vegetable protein, soy sauce, cereal-based products, malt-derived ingredients, and smoked foods. This study aimed to assess the dietary exposure to 3-MCPD and 1,3-DCP in Brazil and verify whether the presence of these substances in foods could represent health risks. The intake was calculated by combining data on food consumption, provided by the Consumer Expenditure Survey 2008-2009, with the levels of contaminant occurrence determined by gas chromatography-mass spectrometry. The exposure to 3-MCPD ranged from 0.06 to 0.51 µg.kg bw-1.day-1 considering average and high consumers, while the intake of 1,3-DCP was estimated to be 0.0036 µg.kg bw-1.day-1 in the worst case scenario evaluated. Based on these results, it was verified that the Brazilians' exposure to chloropropanols does not present a significant health risk. However, the consumption of specific foods containing high levels of 3-MCPD could exceed the provisional maximum tolerable daily intake of 2 µg.kg bw-1 established for this compound and, therefore, represent a potential concern.

Sulphuric acid scarification effects on Brachiaria brizantha, B. humidicola and Panicum maximum seed dormancy release

Most tropical forage grass species have dormant seeds, which reduce percentages in germination tests. The objective of this study was to evaluate H2SO4 scarification effects on seed dormancy releasing, through germination time (T50) and variability among germination test replicates, in 630, 94 and 82 seed samples of B. brizantha, B. humidicola and P. maximum, respectively, tested at the Central Seed Testing Laboratory, Campinas, Brazil, from 1991 to 1999. Germination tests used two 4 x 100 replicates of intact and scarified seeds (15-, 10-, 5-minute treatments, respectively). Mean germination time (T50) and variability among germination replicates were also analysed. Statistical analysis was performed by t-test paired samples for means. Scarification promoted general decreases in T50, while variability among germination test replicates was reduced in B. brizantha. Scarification increase germination in B. brizantha and P. maximum, but is deleterious in B. humidicola.

Quantum Monte Carlo study of electrostatic polarizabilities of H and He atoms /

The infinitesimal differential quantum Monte Carlo (QMC) technique is used to estimate electrostatic polarizabilities of the H and He atoms up to the sixth order in the electric field perturbation. All 542 different QMC estimators of the nonzero atomic polarizabilities are derived and used in order to decrease the statistical error and to obtain the maximum efficiency of the simulations. We are confident that the estimates are "exact" (free of systematic error): the two atoms are nodeless systems, hence no fixed-node error is introduced. Furthermore, we develope and use techniques which eliminate systematic error inherent when extrapolating our results to zero time-step and large stack-size. The QMC results are consistent with published accurate values obtained using perturbation methods. The precision is found to be related to the number of perturbations, varying from 2 to 4 significant digits.

A maximum likelihood framework for protein design

Affiliation: Claudia Kleinman, Nicolas Rodrigue & Hervé Philippe : Département de biochimie, Faculté de médecine, Université de Montréal

New statistical methods to assess the effect of time-dependent exposures in case-control studies

Contexte. Les études cas-témoins sont très fréquemment utilisées par les épidémiologistes pour évaluer l’impact de certaines expositions sur une maladie particulière. Ces expositions peuvent être représentées par plusieurs variables dépendant du temps, et de nouvelles méthodes sont nécessaires pour estimer de manière précise leurs effets. En effet, la régression logistique qui est la méthode conventionnelle pour analyser les données cas-témoins ne tient pas directement compte des changements de valeurs des covariables au cours du temps. Par opposition, les méthodes d’analyse des données de survie telles que le modèle de Cox à risques instantanés proportionnels peuvent directement incorporer des covariables dépendant du temps représentant les histoires individuelles d’exposition. Cependant, cela nécessite de manipuler les ensembles de sujets à risque avec précaution à cause du sur-échantillonnage des cas, en comparaison avec les témoins, dans les études cas-témoins. Comme montré dans une étude de simulation précédente, la définition optimale des ensembles de sujets à risque pour l’analyse des données cas-témoins reste encore à être élucidée, et à être étudiée dans le cas des variables dépendant du temps. Objectif: L’objectif général est de proposer et d’étudier de nouvelles versions du modèle de Cox pour estimer l’impact d’expositions variant dans le temps dans les études cas-témoins, et de les appliquer à des données réelles cas-témoins sur le cancer du poumon et le tabac. Méthodes. J’ai identifié de nouvelles définitions d’ensemble de sujets à risque, potentiellement optimales (le Weighted Cox model and le Simple weighted Cox model), dans lesquelles différentes pondérations ont été affectées aux cas et aux témoins, afin de refléter les proportions de cas et de non cas dans la population source. Les propriétés des estimateurs des effets d’exposition ont été étudiées par simulation. Différents aspects d’exposition ont été générés (intensité, durée, valeur cumulée d’exposition). Les données cas-témoins générées ont été ensuite analysées avec différentes versions du modèle de Cox, incluant les définitions anciennes et nouvelles des ensembles de sujets à risque, ainsi qu’avec la régression logistique conventionnelle, à des fins de comparaison. Les différents modèles de régression ont ensuite été appliqués sur des données réelles cas-témoins sur le cancer du poumon. Les estimations des effets de différentes variables de tabac, obtenues avec les différentes méthodes, ont été comparées entre elles, et comparées aux résultats des simulations. Résultats. Les résultats des simulations montrent que les estimations des nouveaux modèles de Cox pondérés proposés, surtout celles du Weighted Cox model, sont bien moins biaisées que les estimations des modèles de Cox existants qui incluent ou excluent simplement les futurs cas de chaque ensemble de sujets à risque. De plus, les estimations du Weighted Cox model étaient légèrement, mais systématiquement, moins biaisées que celles de la régression logistique. L’application aux données réelles montre de plus grandes différences entre les estimations de la régression logistique et des modèles de Cox pondérés, pour quelques variables de tabac dépendant du temps. Conclusions. Les résultats suggèrent que le nouveau modèle de Cox pondéré propose pourrait être une alternative intéressante au modèle de régression logistique, pour estimer les effets d’expositions dépendant du temps dans les études cas-témoins

Efficient estimation using the characteristic function : theory and applications with high frequency data

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Statistical potentials for evolutionary studies

Les séquences protéiques naturelles sont le résultat net de l’interaction entre les mécanismes de mutation, de sélection naturelle et de dérive stochastique au cours des temps évolutifs. Les modèles probabilistes d’évolution moléculaire qui tiennent compte de ces différents facteurs ont été substantiellement améliorés au cours des dernières années. En particulier, ont été proposés des modèles incorporant explicitement la structure des protéines et les interdépendances entre sites, ainsi que les outils statistiques pour évaluer la performance de ces modèles. Toutefois, en dépit des avancées significatives dans cette direction, seules des représentations très simplifiées de la structure protéique ont été utilisées jusqu’à présent. Dans ce contexte, le sujet général de cette thèse est la modélisation de la structure tridimensionnelle des protéines, en tenant compte des limitations pratiques imposées par l’utilisation de méthodes phylogénétiques très gourmandes en temps de calcul. Dans un premier temps, une méthode statistique générale est présentée, visant à optimiser les paramètres d’un potentiel statistique (qui est une pseudo-énergie mesurant la compatibilité séquence-structure). La forme fonctionnelle du potentiel est par la suite raffinée, en augmentant le niveau de détails dans la description structurale sans alourdir les coûts computationnels. Plusieurs éléments structuraux sont explorés : interactions entre pairs de résidus, accessibilité au solvant, conformation de la chaîne principale et flexibilité. Les potentiels sont ensuite inclus dans un modèle d’évolution et leur performance est évaluée en termes d’ajustement statistique à des données réelles, et contrastée avec des modèles d’évolution standards. Finalement, le nouveau modèle structurellement contraint ainsi obtenu est utilisé pour mieux comprendre les relations entre niveau d’expression des gènes et sélection et conservation de leur séquence protéique.

Optimisation du processus de développement du médicament grâce à la modélisation PK et les simulations d’études cliniques

Le développement d’un médicament est non seulement complexe mais les retours sur investissment ne sont pas toujours ceux voulus ou anticipés. Plusieurs médicaments échouent encore en Phase III même avec les progrès technologiques réalisés au niveau de plusieurs aspects du développement du médicament. Ceci se traduit en un nombre décroissant de médicaments qui sont commercialisés. Il faut donc améliorer le processus traditionnel de développement des médicaments afin de faciliter la disponibilité de nouveaux produits aux patients qui en ont besoin. Le but de cette recherche était d’explorer et de proposer des changements au processus de développement du médicament en utilisant les principes de la modélisation avancée et des simulations d’essais cliniques. Dans le premier volet de cette recherche, de nouveaux algorithmes disponibles dans le logiciel ADAPT 5® ont été comparés avec d’autres algorithmes déjà disponibles afin de déterminer leurs avantages et leurs faiblesses. Les deux nouveaux algorithmes vérifiés sont l’itératif à deux étapes (ITS) et le maximum de vraisemblance avec maximisation de l’espérance (MLEM). Les résultats de nos recherche ont démontré que MLEM était supérieur à ITS. La méthode MLEM était comparable à l’algorithme d’estimation conditionnelle de premier ordre (FOCE) disponible dans le logiciel NONMEM® avec moins de problèmes de rétrécissement pour les estimés de variances. Donc, ces nouveaux algorithmes ont été utilisés pour la recherche présentée dans cette thèse. Durant le processus de développement d’un médicament, afin que les paramètres pharmacocinétiques calculés de façon noncompartimentale soient adéquats, il faut que la demi-vie terminale soit bien établie. Des études pharmacocinétiques bien conçues et bien analysées sont essentielles durant le développement des médicaments surtout pour les soumissions de produits génériques et supergénériques (une formulation dont l'ingrédient actif est le même que celui du médicament de marque, mais dont le profil de libération du médicament est différent de celui-ci) car elles sont souvent les seules études essentielles nécessaires afin de décider si un produit peut être commercialisé ou non. Donc, le deuxième volet de la recherche visait à évaluer si les paramètres calculer d’une demi-vie obtenue à partir d'une durée d'échantillonnage réputée trop courte pour un individu pouvaient avoir une incidence sur les conclusions d’une étude de bioéquivalence et s’ils devaient être soustraits d’analyses statistiques. Les résultats ont démontré que les paramètres calculer d’une demi-vie obtenue à partir d'une durée d'échantillonnage réputée trop courte influençaient de façon négative les résultats si ceux-ci étaient maintenus dans l’analyse de variance. Donc, le paramètre de surface sous la courbe à l’infini pour ces sujets devrait être enlevé de l’analyse statistique et des directives à cet effet sont nécessaires a priori. Les études finales de pharmacocinétique nécessaires dans le cadre du développement d’un médicament devraient donc suivre cette recommandation afin que les bonnes décisions soient prises sur un produit. Ces informations ont été utilisées dans le cadre des simulations d’essais cliniques qui ont été réalisées durant la recherche présentée dans cette thèse afin de s’assurer d’obtenir les conclusions les plus probables. Dans le dernier volet de cette thèse, des simulations d’essais cliniques ont amélioré le processus du développement clinique d’un médicament. Les résultats d’une étude clinique pilote pour un supergénérique en voie de développement semblaient très encourageants. Cependant, certaines questions ont été soulevées par rapport aux résultats et il fallait déterminer si le produit test et référence seraient équivalents lors des études finales entreprises à jeun et en mangeant, et ce, après une dose unique et des doses répétées. Des simulations d’essais cliniques ont été entreprises pour résoudre certaines questions soulevées par l’étude pilote et ces simulations suggéraient que la nouvelle formulation ne rencontrerait pas les critères d’équivalence lors des études finales. Ces simulations ont aussi aidé à déterminer quelles modifications à la nouvelle formulation étaient nécessaires afin d’améliorer les chances de rencontrer les critères d’équivalence. Cette recherche a apporté des solutions afin d’améliorer différents aspects du processus du développement d’un médicament. Particulièrement, les simulations d’essais cliniques ont réduit le nombre d’études nécessaires pour le développement du supergénérique, le nombre de sujets exposés inutilement au médicament, et les coûts de développement. Enfin, elles nous ont permis d’établir de nouveaux critères d’exclusion pour des analyses statistiques de bioéquivalence. La recherche présentée dans cette thèse est de suggérer des améliorations au processus du développement d’un médicament en évaluant de nouveaux algorithmes pour des analyses compartimentales, en établissant des critères d’exclusion de paramètres pharmacocinétiques (PK) pour certaines analyses et en démontrant comment les simulations d’essais cliniques sont utiles.