Real-Time Dynamic PGD Calculation of Non-Linear Soil Behavior

El estudio sísmico en los últimos 50 años y el análisis del comportamiento dinámico del suelo revelan que el comportamiento del suelo es altamente no lineal e histéretico incluso para pequeñas deformaciones. El comportamiento no lineal del suelo durante un evento sísmico tiene un papel predominante en el análisis de la respuesta de sitio. Los análisis unidimensionales de la respuesta sísmica del suelo son a menudo realizados utilizando procedimientos lineales equivalentes, que requieren generalmente pocos parámetros conocidos. Los análisis de respuesta de sitio no lineal tienen el potencial para simular con mayor precisión el comportamiento del suelo, pero su aplicación en la práctica se ha visto limitada debido a la selección de parámetros poco documentadas y poco claras, así como una inadecuada documentación de los beneficios del modelado no lineal en relación al modelado lineal equivalente. En el análisis del suelo, el comportamiento del suelo es aproximado como un sólido Kelvin-Voigt con un módulo de corte elástico y amortiguamiento viscoso. En el análisis lineal y no lineal del suelo se están considerando geometrías y modelos reológicos más complejos. El primero está siendo dirigido por considerar parametrizaciones más ricas del comportamiento linealizado y el segundo mediante el uso de multi-modo de los elementos de resorte-amortiguador con un eventual amortiguador fraccional. El uso del cálculo fraccional está motivado en gran parte por el hecho de que se requieren menos parámetros para lograr la aproximación exacta a los datos experimentales. Basándose en el modelo de Kelvin-Voigt, la viscoelasticidad es revisada desde su formulación más estándar a algunas descripciones más avanzada que implica la amortiguación dependiente de la frecuencia (o viscosidad), analizando los efectos de considerar derivados fraccionarios para representar esas contribuciones viscosas. Vamos a demostrar que tal elección se traduce en modelos más ricos que pueden adaptarse a diferentes limitaciones relacionadas con la potencia disipada, amplitud de la respuesta y el ángulo de fase. Por otra parte, el uso de derivados fraccionarios permite acomodar en paralelo, dentro de un análogo de Kelvin-Voigt generalizado, muchos amortiguadores que contribuyen a aumentar la flexibilidad del modelado para la descripción de los resultados experimentales. Obviamente estos modelos ricos implican muchos parámetros, los asociados con el comportamiento y los relacionados con los derivados fraccionarios. El análisis paramétrico de estos modelos requiere técnicas numéricas eficientemente capaces de simular comportamientos complejos. El método de la Descomposición Propia Generalizada (PGD) es el candidato perfecto para la construcción de este tipo de soluciones paramétricas. Podemos calcular off-line la solución paramétrica para el depósito de suelo, para todos los parámetros del modelo, tan pronto como tales soluciones paramétricas están disponibles, el problema puede ser resuelto en tiempo real, porque no se necesita ningún nuevo cálculo, el solucionador sólo necesita particularizar on-line la solución paramétrica calculada off-line, que aliviará significativamente el procedimiento de solución. En el marco de la PGD, parámetros de los materiales y los diferentes poderes de derivación podrían introducirse como extra-coordenadas en el procedimiento de solución. El cálculo fraccional y el nuevo método de reducción modelo llamado Descomposición Propia Generalizada han sido aplicado en esta tesis tanto al análisis lineal como al análisis no lineal de la respuesta del suelo utilizando un método lineal equivalente. ABSTRACT Studies of earthquakes over the last 50 years and the examination of dynamic soil behavior reveal that soil behavior is highly nonlinear and hysteretic even at small strains. Nonlinear behavior of soils during a seismic event has a predominant role in current site response analysis. One-dimensional seismic ground response analysis are often performed using equivalent-linear procedures, which require few, generally well-known parameters. Nonlinear analyses have the potential to more accurately simulate soil behavior, but their implementation in practice has been limited because of poorly documented and unclear parameter selection, as well as inadequate documentation of the benefits of nonlinear modeling relative to equivalent linear modeling. In soil analysis, soil behaviour is approximated as a Kelvin-Voigt solid with a elastic shear modulus and viscous damping. In linear and nonlinear analysis more complex geometries and more complex rheological models are being considered. The first is being addressed by considering richer parametrizations of the linearized behavior and the second by using multi-mode spring-dashpot elements with eventual fractional damping. The use of fractional calculus is motivated in large part by the fact that fewer parameters are required to achieve accurate approximation of experimental data. Based in Kelvin-Voigt model the viscoelastodynamics is revisited from its most standard formulation to some more advanced description involving frequency-dependent damping (or viscosity), analyzing the effects of considering fractional derivatives for representing such viscous contributions. We will prove that such a choice results in richer models that can accommodate different constraints related to the dissipated power, response amplitude and phase angle. Moreover, the use of fractional derivatives allows to accommodate in parallel, within a generalized Kelvin-Voigt analog, many dashpots that contribute to increase the modeling flexibility for describing experimental findings. Obviously these rich models involve many parameters, the ones associated with the behavior and the ones related to the fractional derivatives. The parametric analysis of all these models require efficient numerical techniques able to simulate complex behaviors. The Proper Generalized Decomposition (PGD) is the perfect candidate for producing such kind of parametric solutions. We can compute off-line the parametric solution for the soil deposit, for all parameter of the model, as soon as such parametric solutions are available, the problem can be solved in real time because no new calculation is needed, the solver only needs particularize on-line the parametric solution calculated off-line, which will alleviate significantly the solution procedure. Within the PGD framework material parameters and the different derivation powers could be introduced as extra-coordinates in the solution procedure. Fractional calculus and the new model reduction method called Proper Generalized Decomposition has been applied in this thesis to the linear analysis and nonlinear soil response analysis using a equivalent linear method.

A non-linear analysis of lying a floating pipeline on the seabed

In this article, a model for the determination of displacements, deformations and tensions of a submarine pipeline during the construction is presented. The process is carried out from an initial floating situation to the final laying position on the seabed. The existence of currents and small waves are also considered. Firstly, this technique, usually applied to polyethylene pipelines, is described in this paper as well as some real world examples, as well as the variables that can be modified to control the behavior of the structure. A detailed description of the actions in this process is considered, specially the ones related to marine environment, as Archimedes force, current and sea waves. The behavior of the pipeline is modeled with a non linear elasto dynamic model where geometric non linearities are taken into account. A 3-D beam model, without cross section deformation effects, is developed. Special care is taken in the numerical analysis, developed within an updated lagrangian formulation framework, with the sea bed contact, the follower forces due to the external water pressures and the dynamic actions. Finally, some subroutines are implemented into ANSYS to simulate the two dimensional case, where the whole construction process is achieved. With this software, a sensibility analysis of the bending moments, axial forces and stresses obtained with different values of the control variables in order to optimize the construction steps. These control variables are, the axial load in the pipe, the inundated inner length and the distance of the control barge from the coast.

Extracellular HIV-1 virus protein R causes a large inward current and cell death in cultured hippocampal neurons: Implications for AIDS pathology

The small HIV-1 accessory protein Vpr (virus protein R) is a multifunctional protein that is present in the serum and cerebrospinal fluid of AIDS patients. We previously showed that Vpr can form cation-selective ion channels across planar lipid bilayers, introducing the possibility that, if incorporated into the membranes of living cells, Vpr might form ion channels and consequently perturb the maintained ionic gradient. In this study, we demonstrate, by a variety of approaches, that Vpr added extracellularly to intact cells does indeed form ion channels. We use confocal laser scanning microscopy to examine the subcellular localization of fluorescently labeled Vpr. Plasmalemma depolarization and damage are examined using the anionic potential-sensitive dye bis(1,3-dibutylbarbituric acid) trimethine oxonol and propidium iodide (PI), respectively, and the effect of Vpr on whole-cell current is demonstrated directly by using the patch-clamp technique. We show that recombinant purified extracellular Vpr associates with the plasmalemma of hippocampal neurons to cause a large inward cation current and depolarization of the plasmalemma, eventually resulting in cell death. Thus, we demonstrate a physiological action of extracellular Vpr and present its mechanistic basis. These findings may have important implications for neuropathologies in AIDS patients who possess significant amounts of Vpr in the cerebrospinal fluid.

Imaging of biological macromolecules on mica in humid air by scanning electrochemical microscopy

Imaging of DNA, keyhole limpet hemocyanin, mouse monoclonal IgG, and glucose oxidase on a mica substrate has been accomplished by scanning electrochemical microscopy with a tungsten tip. The technique requires the use of a high relative humidity to form a thin film of water on the mica surface that allows electrochemical reactions to take place at the tip and produce a faradaic current (≈1 pA) that can be used to control tip position. The effect of relative humidity and surface pretreatment with buffer solutions on the ionic conductivity of a mica surface was investigated to find appropriate conditions for imaging. Resolution of the order of 1 nm was obtained.

Análise de acetona em ar exalado: desenvolvimento de método eletroanalítico e algoritmo para processamento de sinais

Propõe-se método novo e completo para análise de acetona em ar exalado envolvendo coleta com pré-concentração em água, derivatização química e determinação eletroquímica assistida por novo algoritmo de processamento de sinais. Na literatura recente a acetona expirada vem sendo avaliada como biomarcador para monitoramento não invasivo de quadros clínicos como diabetes e insuficiência cardíaca, daí a importância da proposta. Entre as aminas que reagem com acetona para formar iminas eletroativas, estudadas por polarografia em meados do século passado, a glicina apresentou melhor conjunto de características para a definição do método de determinação por voltametria de onda quadrada sem a necessidade de remoção de oxigênio (25 Hz, amplitude de 20 mV, incremento de 5 mV, eletrodo de gota de mercúrio). O meio reacional, composto de glicina (2 mol·L-1) em meio NaOH (1 mol·L-1), serviu também de eletrólito e o pico de redução da imina em -1,57 V vs. Ag|AgCl constituiu o sinal analítico. Para tratamento dos sinais, foi desenvolvido e avaliado um algoritmo inovador baseado em interpolação de linha base por ajuste de curvas de Bézier e ajuste de gaussiana ao pico. Essa combinação permitiu reconhecimento e quantificação de picos relativamente baixos e largos sobre linha com curvatura acentuada e ruído, situação em que métodos convencionais falham e curvas do tipo spline se mostraram menos apropriadas. A implementação do algoritmo (disponível em http://github.com/batistagl/chemapps) foi realizada utilizando programa open source de álgebra matricial integrado diretamente com software de controle do potenciostato. Para demonstrar a generalidade da extensão dos recursos nativos do equipamento mediante integração com programação externa em linguagem Octave (open source), implementou-se a técnica da cronocoulometria tridimensional, com visualização de resultados já tratados em projeções de malha de perspectiva 3D sob qualquer ângulo. A determinação eletroquímica de acetona em fase aquosa, assistida pelo algoritmo baseado em curvas de Bézier, é rápida e automática, tem limite de detecção de 3,5·10-6 mol·L-1 (0,2 mg·L-1) e faixa linear que atende aos requisitos da análise em ar exalado. O acetaldeído, comumente presente em ar exalado, em especial, após consumo de bebidas alcoólicas, dá origem a pico voltamétrico em -1,40 V, contornando interferência que prejudica vários outros métodos publicados na literatura e abrindo possibilidade de determinação simultânea. Resultados obtidos com amostras reais são concordantes com os obtidos por método espectrofotométrico, em uso rotineiro desde o seu aperfeiçoamento na dissertação de mestrado do autor desta tese. Em relação à dissertação, também se otimizou a geometria do dispositivo de coleta, de modo a concentrar a acetona num volume menor de água gelada e prover maior conforto ao paciente. O método completo apresentado, englobando o dispositivo de amostragem aperfeiçoado e o novo e efetivo algoritmo para tratamento automático de sinais voltamétricos, está pronto para ser aplicado. Evolução para um analisador portátil depende de melhorias no limite de detecção e facilidade de obtenção eletrodos sólidos (impressos) com filme de mercúrio, vez que eletrodos de bismuto ou diamante dopado com boro, entre outros, não apresentaram resposta.

Comportamento em desgaste por erosão cavitação, erosão - corrosão e em ensaios de microesclerometria linear instrumentada de um aço inoxidável martensítico AISI 410 nitretado a plasma em baixa temperatura, utilizando a tecnologia de tela ativa.

Amostras de um aço inoxidável martensítico AISI 410 temperado e revenido foram nitretadas a plasma em baixa temperatura usando o tratamento de nitretação plasma DC e a nitretação a plasma com tela ativa. Ambos os tratamentos foram realizados a 400 °C, utilizando mistura gasosa de 75 % de nitrogênio e 25 % de hidrogênio durante 20 horas e 400 Pa de pressão. As amostras de aço AISI 410 temperado e revenido foram caracterizadas antes e depois dos tratamentos termoquímicos, usando as técnicas de microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, medidas de microdureza, difração de raios X e medidas de teor de nitrogênio em função da distância à superfície por espectrometria WDSX de raios X. A resistência à erosão por cavitação do aço AISI 410 nitretado DC e com tela ativa foi avaliada segundo a norma ASTM G32 (1998). Os ensaios de erosão, de erosão - corrosão e de esclerometria linear instrumentada segundo norma ASTM C1624 (2005) somente foram realizados no aço AISI 410 nitretado com tela ativa. Ensaios de nanoindentação instrumentada forma utilizados para medir a dureza (H) e o módulo de elasticidade reduzido (E*) e calcular as relações H/E* e H3/E*2 e a recuperação elástica (We), utilizando o método proposto por Oliver e Pharr. Ambos os tratamentos produziram camadas nitretadas de espessura homogênea constituídas por martensita expandida supersaturada em nitrogênio e nitretos de ferro com durezas superiores a 1200 HV, porém, a nitretação DC produziu maior quantidade de nitretos de ferro do que o tratamento de tela ativa. Os resultados de erosão por cavitação do aço nitretado DC mostraram que a precipitação de nitretos de ferro é prejudicial para a resistência à cavitação já que reduziu drasticamente o período de incubação e aumentou a taxa de perda de massa nos estágios iniciais do ensaio; entretanto, depois da remoção desses nitretos de ferro, a camada nitretada formada somente por martensita expandida resistiu bem ao dano por cavitação. Já no caso do aço nitretado com tela ativa, a resistência à erosão por cavitação aumentou 27 vezes quando comparada com o aço AISI 410 sem nitretar, fato atribuído à pequena fração volumétrica e ao menor tamanho dos nitretos de ferro presente na camada nitretada, às maiores relações H/E* e H3/E*2 e à alta recuperação elástica da martensita expandida. A remoção de massa ocorreu, principalmente, pela formação de crateras e de destacamento de material da superfície dos grãos por fratura frágil sem evidente deformação plástica. As perdas de massa acumulada mostradas pelo aço nitretado foram menores do que aquelas do aço AISI 410 nos ensaios de erosão e de erosão corrosão. O aço nitretado apresentou uma diminuição nas taxas de desgaste em ambos os ensaios de aproximadamente 50 % quando comparadas com o aço AISI 410. O mecanismo de remoção de material foi predominantemente dúctil, mesmo com o grande aumento na dureza. Os resultados de esclerometria linear instrumentada mostraram que a formação de martensita expandida possibilitou uma diminuição considerável do coeficiente de atrito em relação ao observado no caso do aço AISI 410 sem nitretar. O valor de carga crítica de falha foi de 14 N. O mecanismo de falha operante no aço nitretado foi trincamento por tensão.

Otimização não linear aplicada à operação de sistemas com múltiplos reservatórios para abastecimento de água.

O presente estudo considera a aplicação do modelo SISAGUA de simulação matemática e de otimização para a operação de sistemas de reservatórios integrados em sistemas complexos para o abastecimento de água. O SISAGUA utiliza a programação não linear inteira mista (PNLIM) com os objetivos de evitar ou minimizar racionamentos, equilibrar a distribuição dos armazenamentos em sistemas com múltiplos reservatórios e minimizar os custos de operação. A metodologia de otimização foi aplicada para o sistema produtor de água da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP), que enfrenta a crise hídrica diante de um cenário de estiagem em 2013-2015, o pior na série histórica dos últimos 85 anos. Trata-se de uma região com 20,4 milhões de habitantes. O sistema é formado por oito sistemas produtores parcialmente integrados e operados pela Sabesp (Companhia de Saneamento do Estado de São Paulo). A RMSP é uma região com alta densidade demográfica, localizada na Bacia Hidrográfica do Alto Tietê e caracterizada pela baixa disponibilidade hídrica per capita. Foi abordada a possibilidade de considerar a evaporação durante as simulações, e a aplicação de uma regra de racionamento contínua nos reservatórios, que transforma a formulação do problema em programação não linear (PNL). A evaporação se mostrou pouco representativa em relação a vazão de atendimento à demanda, com cerca de 1% da vazão. Se por um lado uma vazão desta magnitude pode contribuir em um cenário crítico, por outro essa ordem de grandeza pode ser comparada às incertezas de medições ou previsões de afluências. O teste de sensibilidade das diferentes taxas de racionamento em função do volume armazenado permite analisar o tempo de resposta de cada sistema. A variação do tempo de recuperação, porém, não se mostrou muito significativo.

Kinetic study of thermal 1,3-dipolar cycloaddition of azomethine ylides using differential scanning calorimetry as monitoring window

Kinetics of 1,3-dipolar cycloaddition involving azomethine ylides, generated from thermal [1,2]-prototropy of the corresponding imino ester, employing differential scanning calorimetry (DSC), is surveyed. Glycine and phenylalanine derived imino esters have different behavior. The first one prefers reacting with itself at 75 ºC, rather than with the dipolarophile. However, the α-substituted imino ester gives the cycloadduct at higher temperatures. The thermal dynamic analysis by 1H NMR of the neat reaction mixture of the glycine derivative reveals the presence of signals corresponding to the dipole in very small proportion. The non-isothermal and isothermal DSC curves of the cycloaddition of phenylalaninate and diisobutyl fumarate are obtained from freshly prepared samples. The application of known kinetic models and mathematical multiple non-linear regressions (NLR) allow to determine and to compare Ea, lnA, reaction orders, and reaction enthalpy. Finally a rate equation for each different temperature can be established for this particular thermal cycloaddition.

Spin dynamics of current-driven single magnetic adatoms and molecules

A scanning tunneling microscope can probe the inelastic spin excitations of a single magnetic atom in a surface via spin-flip assisted tunneling in which transport electrons exchange spin and energy with the atomic spin. If the inelastic transport time, defined as the average time elapsed between two inelastic spin flip events, is shorter than the atom spin-relaxation time, the scanning tunnel microscope (STM) current can drive the spin out of equilibrium. Here we model this process using rate equations and a model Hamiltonian that describes successfully spin-flip-assisted tunneling experiments, including a single Mn atom, a Mn dimer, and Fe Phthalocyanine molecules. When the STM current is not spin polarized, the nonequilibrium spin dynamics of the magnetic atom results in nonmonotonic dI/dV curves. In the case of spin-polarized STM current, the spin orientation of the magnetic atom can be controlled parallel or antiparallel to the magnetic moment of the tip. Thus, spin-polarized STM tips can be used both to probe and to control the magnetic moment of a single atom.

Calmness of the Feasible Set Mapping for Linear Inequality Systems

In this paper we deal with parameterized linear inequality systems in the n-dimensional Euclidean space, whose coefficients depend continuosly on an index ranging in a compact Hausdorff space. The paper is developed in two different parametric settings: the one of only right-hand-side perturbations of the linear system, and that in which both sides of the system can be perturbed. Appealing to the backgrounds on the calmness property, and exploiting the specifics of the current linear structure, we derive different characterizations of the calmness of the feasible set mapping, and provide an operative expresion for the calmness modulus when confined to finite systems. In the paper, the role played by the Abadie constraint qualification in relation to calmness is clarified, and illustrated by different examples. We point out that this approach has the virtue of tackling the calmness property exclusively in terms of the system’s data.

Scanning the Options for a Structural Reform of the EU Emissions Trading System. CEPS Special Report 107, 19 May 2015

This paper provides a comprehensive overview and analysis of different options to reform the EU Emissions Trading System (ETS). The options discussed include changes to address the rigidity of supply on the auctioning side, as well as reforms to add flexibility to free allocation. Additionally, other options that may enhance the functionality of the EU ETS are covered, drawing on examples and practices in other carbon-pricing mechanisms around the world. It is crucial to note that any reform of the EU ETS must consist of a package of options. Taken separately, the options may very well have beneficial effects, but they would also leave intact clear imperfections in the current design. Specifically where the auctioning supply mechanism and the flexibility in free allocation are concerned, we assess multiple options in each category, and present evidence for each option. Where appropriate, we suggest complementing these reform options with additional elements (presented in section 3.3). The aim of any structural reform should be to arrive at a set of options that forms a consistent and credible package. With this paper, we provide an evidence-based assessment of the various building blocks of such a reform.

Regulador linear de tensão em tecnologia HV-CMOS

Atualmente, assiste-se na nossa sociedade a um recurso e uso massivo de equipamentos eletrónicos portáteis. Este facto, aliado à competitividade de mercado, exigiu o desenvolvimento desses equipamentos com o intuito de melhorar a sua gestão de potência e, obter, consequentemente, maior autonomia e rendimento. Assim, na gestão de potência de um SoC são os reguladores de tensão que assumem um papel de extrema importância. O trabalho realizado ao longo da presente dissertação pressupõe o projeto de um regulador linear de tensão do tipo LDO em tecnologia HV-CMOS, capaz de suportar tensões de entrada de 12V com vista à alimentação de blocos funcionais RF-CMOS com 3,3V e uma corrente de 100mA. Foi implementado através do processo CMOS de 0.35μm de 50V da Austria Micro Systems. A corrente de quiescente do regulador linear de tensão que determina a eficiência de corrente é de 120,22μA. Possui uma eficiência de corrente de 99,88% e um rendimento de 82,46% quando a tensão mínima de entrada é utilizada. O regulador linear de tensão possui uma tensão de dropout de 707mV. A estabilidade do sistema é mantida mesmo com transições de carga de 10μA para 100mA. O regulador possui um tempo de estabelecimento inferior a 2,4μs e uma variação da tensão de saída relativamente ao seu valor nominal inferior a 18mV, ambos para o pior caso. Porém, este regulador possui um undershoot e um overshoot de +- 1,85V.

A detector based on silica fibers for ion beam monitoring in a wide current range

A detector based on doped silica and optical fibers was developed to monitor the profile of particle accelerator beams of intensity ranging from 1 pA to tens of µA. Scintillation light produced in a fiber moving across the beam is measured, giving information on its position, shape and intensity. The detector was tested with a continuous proton beam at the 18 MeV Bern medical cyclotron used for radioisotope production and multi-disciplinary research. For currents from 1 pA to 20 µA, Ce3+ and Sb3+ doped silica fibers were used as sensors. Read out systems based on photodiodes, photomultipliers and solid state photomultipliers were employed. Profiles down to the pA range were measured with this method for the first time. For currents ranging from 1 pA to 3 µA, the integral of the profile was found to be linear with respect to the beam current, which can be measured by this detector with an accuracy of ∼1%. The profile was determined with a spatial resolution of 0.25 mm. For currents ranging from 5 µA to 20 µA, thermal effects affect light yield and transmission, causing distortions of the profile and limitations in monitoring capabilities. For currents higher than ∼1 µA, non doped optical fibers for both producing and transporting scintillation light were also successfully employed.

A linear scanner for human radioisotope research /

"Contract No. AT(40-1)-Gen-33."