Análisis dinámico experimental y numérico de una presa bóveda : ajuste del modelo

El objetivo de este trabajo es analizar las propiedades dinámicas de una presa bóveda de doble curvatura (presa de La Tajera, Guadalajara) para ajustar un modelo de elementos finitos. Para ello se han utilizado acelerómetros de alta sensibilidad sincronizados inalámbricamente. Se han obtenido las frecuencias, amortiguamientos y formas modales frente a los efectos de las acciones de tipo ambiental (viento, paso de vehículos). Se ha modelado mediante elementos finitos la presa y su cimiento incorporando el efecto del nivel del embalse. Con las propiedades dinámicas de la estructura halladas numéricamente se ha realizado un plan de medidas en los puntos que se consideraban más significativos. Tras realizar las medidas, se ha procedido al análisis de resultados mediante un Análisis Modal Operacional. Ello permite estimar los parámetros modales (frecuencias, amortiguamientos y formas modales) experimentalmente y se ha valorado el alcance de los mismos. Posteriormente viene la parte fundamental de este trabajo, que es el ajuste del modelo de elementos finitos inicial considerando el comportamiento dinámico obtenido experimentalmente. El modelo actualizado puede utilizarse dentro de un sistema de detección de daños, o por ejemplo, para el estudio del comportamiento ante un sismo considerando la interacción presa-embalse-cimiento. The purpose of this paper is to study the dynamic characteristics of a double curvature arch dam (La Tajera arch dam) for a Finite Element Model Updating. To achieve it, high sensitivity accelerometers synchronized wirelessly have been used. The system modal dampings, natural frequencies mode shapes are identified using output only identification techniques under environmental loads (wind, vehicles). Firstly, a finite element model of the dam-reservoir-foundation system was created. Once the dynamic properties of the structure were numerically obtained, a testing plan was then carried out identifying the most significant test points. After the measurements were carried out, an Operational Modal Analysis was performed to obtain experimentally the structure dynamic properties: natural frequencies, modal dampings and mode shapes. experimentally and to assess its reach. Then, the finite element model updating of the initial model was carried out to match the recorded dynamic behavior. The updated model may be used within a structural health monitoring and damage detection system or, as it is proposed on this thesis, for the analysis of the seismic response of arch dam-reservoir-foundation coupled systems

Structural health monitoringby using transmissibility

El control del estado en el que se encuentran las estructuras ha experimentado un gran auge desde hace varias décadas, debido a que los costes de rehabilitación de estructuras tales como los oleoductos, los puentes, los edificios y otras más son muy elevados. En las últimas dos décadas, se han desarrollado una gran cantidad de métodos que permiten identificar el estado real de una estructura, basándose en modelos físicos y datos de ensayos. El ensayo modal es el más común; mediante el análisis modal experimental de una estructura se pueden determinar parámetros como la frecuencia, los modos de vibración y la amortiguación y también la función de respuesta en frecuencia de la estructura. Mediante estos parámetros se pueden implementar diferentes indicadores de daño. Sin embargo, para estructuras complejas y grandes, la implementación de metodologías basadas en la función de respuesta en frecuencia requeriría realizar hipótesis sobre la fuerza utilizada para excitar la estructura. Dado que el análisis modal operacional utiliza solamente las señales de respuesta del sistema para extraer los parámetros dinámicos estructurales y, por tanto, para evaluar el estado de una estructura, el uso de la transmisibilidad sería posible. En este sentido, dentro del análisis modal operacional, la transmisibilidad ha concentrado mucha atención en el mundo científico en la última década. Aunque se han publicado muchos trabajos sobre el tema, en esta Tesis se proponen diferentes técnicas para evaluar el estado de una estructura basándose exclusivamente en la transmisibilidad. En primer lugar, se propone un indicador de daño basado en un nuevo parámetro, la coherencia de transmisibilidad; El indicador se ha valido mediante resultados numéricos y experimentales obtenidos sobre un pórtico de tres pisos. En segundo lugar, la distancia de Mahalanobis se aplica sobre la transmisibilidad como procedimiento para detectar variaciones estructurales provocadas por el daño. Este método se ha validado con éxito sobre una viga libre-libre ensayada experimentalmente. En tercer lugar, se ha implementado una red neuronal basada en medidas de transmisibilidad como metodología de predicción de daño sobre una viga simulada numéricamente. ABSTRACT Structural health monitoring has experienced a huge development from several decades ago since the cost of rehabilitation of structures such as oil pipes, bridges and tall buildings is very high. In the last two decades, a lot of methods able to identify the real stage of a structure have been developed basing on both models and experimental data. Modal testing is the most common; by carrying out the experimental modal analysis of a structure, some parameters, such as frequency, mode shapes and damping, as well as the frequency response function of the structure can be obtained. From these parameters, different damage indicators have been proposed. However, for complex and large structures, any frequency domain approach that relies on frequency response function estimation would be of difficult application since an assumption of the input excitations to the system should be carried out. Operational modal analysis uses only output signals to extract the structural dynamic parameters and, therefore, to identify the structural stage. In this sense, within operational modal analysis, transmissibility has attracted a lot of attention in the scientific field in the last decade. In this work new damage detection approaches based on transmissibility are developed. Firstly, a new theory of transmissibility coherence is developed and it is tested with a three-floor-structure both in simulation and in experimental data analysis; secondly, Mahalanobis distance is taken into use with the transmissibility, and a free-free beam is used to test the approach performance; thirdly, neural networks are used in transmissibility for structural health monitoring; a simulated beam is used to validate the proposed method.

Structural health monitoringby using transmissibility

El control del estado en el que se encuentran las estructuras ha experimentado un gran auge desde hace varias décadas, debido a que los costes de rehabilitación de estructuras tales como los oleoductos, los puentes, los edificios y otras más son muy elevados. En las últimas dos décadas, se han desarrollado una gran cantidad de métodos que permiten identificar el estado real de una estructura, basándose en modelos físicos y datos de ensayos. El ensayo modal es el más común; mediante el análisis modal experimental de una estructura se pueden determinar parámetros como la frecuencia, los modos de vibración y la amortiguación y también la función de respuesta en frecuencia de la estructura. Mediante estos parámetros se pueden implementar diferentes indicadores de daño. Sin embargo, para estructuras complejas y grandes, la implementación de metodologías basadas en la función de respuesta en frecuencia requeriría realizar hipótesis sobre la fuerza utilizada para excitar la estructura. Dado que el análisis modal operacional utiliza solamente las señales de respuesta del sistema para extraer los parámetros dinámicos estructurales y, por tanto, para evaluar el estado de una estructura, el uso de la transmisibilidad sería posible. En este sentido, dentro del análisis modal operacional, la transmisibilidad ha concentrado mucha atención en el mundo científico en la última década. Aunque se han publicado muchos trabajos sobre el tema, en esta Tesis se proponen diferentes técnicas para evaluar el estado de una estructura basándose exclusivamente en la transmisibilidad. En primer lugar, se propone un indicador de daño basado en un nuevo parámetro, la coherencia de transmisibilidad; El indicador se ha valido mediante resultados numéricos y experimentales obtenidos sobre un pórtico de tres pisos. En segundo lugar, la distancia de Mahalanobis se aplica sobre la transmisibilidad como procedimiento para detectar variaciones estructurales provocadas por el daño. Este método se ha validado con éxito sobre una viga libre-libre ensayada experimentalmente. En tercer lugar, se ha implementado una red neuronal basada en medidas de transmisibilidad como metodología de predicción de daño sobre una viga simulada numéricamente. ABSTRACT Structural health monitoring has experienced a huge development from several decades ago since the cost of rehabilitation of structures such as oil pipes, bridges and tall buildings is very high. In the last two decades, a lot of methods able to identify the real stage of a structure have been developed basing on both models and experimental data. Modal testing is the most common; by carrying out the experimental modal analysis of a structure, some parameters, such as frequency, mode shapes and damping, as well as the frequency response function of the structure can be obtained. From these parameters, different damage indicators have been proposed. However, for complex and large structures, any frequency domain approach that relies on frequency response function estimation would be of difficult application since an assumption of the input excitations to the system should be carried out. Operational modal analysis uses only output signals to extract the structural dynamic parameters and, therefore, to identify the structural stage. In this sense, within operational modal analysis, transmissibility has attracted a lot of attention in the scientific field in the last decade. In this work new damage detection approaches based on transmissibility are developed. Firstly, a new theory of transmissibility coherence is developed and it is tested with a three-floor-structure both in simulation and in experimental data analysis; secondly, Mahalanobis distance is taken into use with the transmissibility, and a free-free beam is used to test the approach performance; thirdly, neural networks are used in transmissibility for structural health monitoring; a simulated beam is used to validate the proposed method.

Acciones humanas sobre estructuras

En esta tesis se propone un nuevo modelo de carga para caracterizar los saltos de personas sobre estructuras y se estudia la influencia de las personas en las propiedades dinámicas de la estructura. En el estudio del comportamiento estructural de construcciones como gimnasios, salas de baile, estadios, auditorios o pasarelas peatonales sometidas a cargas producidas por un gran número de personas, se deben tener en cuenta las fuerzas dinámicas, lo cual implica el uso de modelos de cálculo más complejos y criterios de dimensionamiento con nuevos parámetros. Por ello, es necesario determinar a qué cargas van a estar sometidas este tipo de estructuras y cómo van a cambiar cuando se encuentren ocupadas por personas. En la primera parte del trabajo se presenta el problema de considerar las fuerzas dinámicas en el análisis de estructuras. Se indican los factores que influyeron en el interés por este tipo de estudios. Se exponen los objetivos de la tesis y se propone la metodología para conseguirlos. También en esta primera parte se describe el estado del arte. Se explican los modelos existentes de carga generada por saltos de personas y se hace un repaso de los principales autores y estudios sobre este tema. Por último se exponen algunas ideas sobre las modificaciones dinámicas que provoca la presencia de las personas en las estructuras. En la segunda parte de la tesis se explica el modelo de carga de saltos propuesta en este trabajo, donde se incluye una campaña de ensayos con saltos sobre una placa de carga. Se describen las estructuras de ensayo, un gimnasio y una losa que cubre un aljibe. Se detalla la identificación de las propiedades dinámicas de las estructuras, describiendo los ensayos correspondientes y los resultados de un Análisis Operacional Modal. Por último se presenta el modelo de elementos finitos de la estructura elegida para los ensayos. En la tercera y última parte del trabajo se comprueba la validez de los modelos de carga estudiados mediante la realización de ensayos dinámicos con personas saltando y la posterior comparación de los resultados experimentales con las simulaciones numéricas. Como último resultado se estudia la influencia de las personas en las propiedades dinámicas de la estructura. Para ello se utilizan los datos obtenidos mediante un ensayo con personas pasivas. ABSTRACT In this thesis, a new load model is proposed to characterize people jumping on structures and the influence of people in the dynamic properties of the structure is studied. In the study of the structural behavior of buildings such as gymnasiums, dance halls, stadiums, auditoriums or footbridges subjected to loads generated by crowd, dynamic forces must take into account, which involves the use of more complex calculation models and dimensioning criteria with new parameters. Therefore, it is necessary to determine these dynamic loads and how structures will change when they are occupied by people. In the first part of the work the problem of considering the dynamic forces in the analysis of structures is presented. The factors that influence on the interest in this type of study are indicated. The objectives of the thesis are presented and also the proposed methodology in order to achieve them. In this first part the state of the art is described. Existing jumping load models are explained and a review of the main authors and studies on this subject is done. Finally some ideas about the dynamic changes caused by the presence of people in the structures are exposed. In the second part of the thesis the proposed jumping load model is explained, including jump tests on a force plate. Test structures, a gym and a concrete slab are described. Dynamic properties identification of the test structures is detailed with the corresponding tests and Operational Modal Analysis results. Finally, a finite element model of the structure chosen for the tests is presented. In the third part of the work, the studied jump load models are validated by performing dynamic testing with people jumping and the subsequent comparison of experimental results with numerical simulations. As a last result, the influence of people on the dynamic properties of the structure is checked. For this purpose, obtained data from a test with passive people are used.

New methods for the synthesis of radiation patterns of coupled antenna arrays = Nuevos métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas acopladas

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de síntesis de diagramas de radiación de agrupaciones de antenas, en donde se realiza una caracterización electromagnética rigurosa de los elementos radiantes y de los acoplos mutuos existentes. Esta caracterización no se realiza habitualmente en la gran mayoría de métodos de síntesis encontrados en la literatura, debido fundamentalmente a dos razones. Por un lado, se considera que el diagrama de radiación de un array de antenas se puede aproximar con el factor de array que únicamente tiene en cuenta la posición de los elementos y las excitaciones aplicadas a los mismos. Sin embargo, como se mostrará en esta tesis, en múltiples ocasiones un riguroso análisis de los elementos radiantes y del acoplo mutuo entre ellos es importante ya que los resultados obtenidos pueden ser notablemente diferentes. Por otro lado, no es sencillo combinar un método de análisis electromagnético con un proceso de síntesis de diagramas de radiación. Los métodos de análisis de agrupaciones de antenas suelen ser costosos computacionalmente, ya que son estructuras grandes en términos de longitudes de onda. Generalmente, un diseño de un problema electromagnético suele comprender varios análisis de la estructura, dependiendo de las variaciones de las características, lo que hace este proceso muy costoso. Dos métodos se utilizan en esta tesis para el análisis de los arrays acoplados. Ambos están basados en el método de los elementos finitos, la descomposición de dominio y el análisis modal para analizar la estructura radiante y han sido desarrollados en el grupo de investigación donde se engloba esta tesis. El primero de ellos es una técnica de análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito. Su uso es indicado para arrays planos de grandes dimensiones con elementos equiespaciados. El segundo caracteriza el array y el acoplo mutuo entre elementos a partir de una expansión en modos esféricos del campo radiado por cada uno de los elementos. Este método calcula los acoplos entre los diferentes elementos del array usando las propiedades de traslación y rotación de los modos esféricos. Es capaz de analizar agrupaciones de elementos distribuidos de forma arbitraria. Ambas técnicas utilizan una formulación matricial que caracteriza de forma rigurosa el campo radiado por el array. Esto las hace muy apropiadas para su posterior uso en una herramienta de diseño, como los métodos de síntesis desarrollados en esta tesis. Los resultados obtenidos por estas técnicas de síntesis, que incluyen métodos rigurosos de análisis, son consecuentemente más precisos. La síntesis de arrays consiste en modificar uno o varios parámetros de las agrupaciones de antenas buscando unas determinadas especificaciones de las características de radiación. Los parámetros utilizados como variables de optimización pueden ser varios. Los más utilizados son las excitaciones aplicadas a los elementos, pero también es posible modificar otros parámetros de diseño como son las posiciones de los elementos o las rotaciones de estos. Los objetivos de las síntesis pueden ser dirigir el haz o haces en una determinada dirección o conformar el haz con formas arbitrarias. Además, es posible minimizar el nivel de los lóbulos secundarios o del rizado en las regiones deseadas, imponer nulos que evitan posibles interferencias o reducir el nivel de la componente contrapolar. El método para el análisis de arrays finitos basado en la aproximación de array infinito considera un array finito como un array infinito con un número finito de elementos excitados. Los elementos no excitados están físicamente presentes y pueden presentar tres diferentes terminaciones, corto-circuito, circuito abierto y adaptados. Cada una de estas terminaciones simulará mejor el entorno real en el que el array se encuentre. Este método de análisis se integra en la tesis con dos métodos diferentes de síntesis de diagramas de radiación. En el primero de ellos se presenta un método basado en programación lineal en donde es posible dirigir el haz o haces, en la dirección deseada, además de ejercer un control sobre los lóbulos secundarios o imponer nulos. Este método es muy eficiente y obtiene soluciones óptimas. El mismo método de análisis es también aplicado a un método de conformación de haz, en donde un problema originalmente no convexo (y de difícil solución) es transformado en un problema convexo imponiendo restricciones de simetría, resolviendo de este modo eficientemente un problema complejo. Con este método es posible diseñar diagramas de radiación con haces de forma arbitraria, ejerciendo un control en el rizado del lóbulo principal, así como en el nivel de los lóbulos secundarios. El método de análisis de arrays basado en la expansión en modos esféricos se integra en la tesis con tres técnicas de síntesis de diagramas de radiación. Se propone inicialmente una síntesis de conformación del haz basado en el método de la recuperación de fase resuelta de forma iterativa mediante métodos convexos, en donde relajando las restricciones del problema original se consiguen unas soluciones cercanas a las óptimas de manera eficiente. Dos métodos de síntesis se han propuesto, donde las variables de optimización son las posiciones y las rotaciones de los elementos respectivamente. Se define una función de coste basada en la intensidad de radiación, la cual es minimizada de forma iterativa con el método del gradiente. Ambos métodos reducen el nivel de los lóbulos secundarios minimizando una función de coste. El gradiente de la función de coste es obtenido en términos de la variable de optimización en cada método. Esta función de coste está formada por la expresión rigurosa de la intensidad de radiación y por una función de peso definida por el usuario para imponer prioridades sobre las diferentes regiones de radiación, si así se desea. Por último, se presenta un método en el cual, mediante técnicas de programación entera, se buscan las fases discretas que generan un diagrama de radiación lo más cercano posible al deseado. Con este método se obtienen diseños que minimizan el coste de fabricación. En cada uno de las diferentes técnicas propuestas en la tesis, se presentan resultados con elementos reales que muestran las capacidades y posibilidades que los métodos ofrecen. Se comparan los resultados con otros métodos disponibles en la literatura. Se muestra la importancia de tener en cuenta los diagramas de los elementos reales y los acoplos mutuos en el proceso de síntesis y se comparan los resultados obtenidos con herramientas de software comerciales. ABSTRACT The main objective of this thesis is the development of optimization methods for the radiation pattern synthesis of array antennas in which a rigorous electromagnetic characterization of the radiators and the mutual coupling between them is performed. The electromagnetic characterization is usually overlooked in most of the available synthesis methods in the literature, this is mainly due to two reasons. On the one hand, it is argued that the radiation pattern of an array is mainly influenced by the array factor and that the mutual coupling plays a minor role. As it is shown in this thesis, the mutual coupling and the rigorous characterization of the array antenna influences significantly in the array performance and its computation leads to differences in the results obtained. On the other hand, it is difficult to introduce an analysis procedure into a synthesis technique. The analysis of array antennas is generally expensive computationally as the structure to analyze is large in terms of wavelengths. A synthesis method requires to carry out a large number of analysis, this makes the synthesis problem very expensive computationally or intractable in some cases. Two methods have been used in this thesis for the analysis of coupled antenna arrays, both of them have been developed in the research group in which this thesis is involved. They are based on the finite element method (FEM), the domain decomposition and the modal analysis. The first one obtains a finite array characterization with the results obtained from the infinite array approach. It is specially indicated for the analysis of large arrays with equispaced elements. The second one characterizes the array elements and the mutual coupling between them with a spherical wave expansion of the radiated field by each element. The mutual coupling is computed using the properties of translation and rotation of spherical waves. This method is able to analyze arrays with elements placed on an arbitrary distribution. Both techniques provide a matrix formulation that makes them very suitable for being integrated in synthesis techniques, the results obtained from these synthesis methods will be very accurate. The array synthesis stands for the modification of one or several array parameters looking for some desired specifications of the radiation pattern. The array parameters used as optimization variables are usually the excitation weights applied to the array elements, but some other array characteristics can be used as well, such as the array elements positions or rotations. The desired specifications may be to steer the beam towards any specific direction or to generate shaped beams with arbitrary geometry. Further characteristics can be handled as well, such as minimize the side lobe level in some other radiating regions, to minimize the ripple of the shaped beam, to take control over the cross-polar component or to impose nulls on the radiation pattern to avoid possible interferences from specific directions. The analysis method based on the infinite array approach considers an infinite array with a finite number of excited elements. The infinite non-excited elements are physically present and may have three different terminations, short-circuit, open circuit and match terminated. Each of this terminations is a better simulation for the real environment of the array. This method is used in this thesis for the development of two synthesis methods. In the first one, a multi-objective radiation pattern synthesis is presented, in which it is possible to steer the beam or beams in desired directions, minimizing the side lobe level and with the possibility of imposing nulls in the radiation pattern. This method is very efficient and obtains optimal solutions as it is based on convex programming. The same analysis method is used in a shaped beam technique in which an originally non-convex problem is transformed into a convex one applying symmetry restrictions, thus solving a complex problem in an efficient way. This method allows the synthesis of shaped beam radiation patterns controlling the ripple in the mainlobe and the side lobe level. The analysis method based on the spherical wave expansion is applied for different synthesis techniques of the radiation pattern of coupled arrays. A shaped beam synthesis is presented, in which a convex formulation is proposed based on the phase retrieval method. In this technique, an originally non-convex problem is solved using a relaxation and solving a convex problems iteratively. Two methods are proposed based on the gradient method. A cost function is defined involving the radiation intensity of the coupled array and a weighting function that provides more degrees of freedom to the designer. The gradient of the cost function is computed with respect to the positions in one of them and the rotations of the elements in the second one. The elements are moved or rotated iteratively following the results of the gradient. A highly non-convex problem is solved very efficiently, obtaining very good results that are dependent on the starting point. Finally, an optimization method is presented where discrete digital phases are synthesized providing a radiation pattern as close as possible to the desired one. The problem is solved using linear integer programming procedures obtaining array designs that greatly reduce the fabrication costs. Results are provided for every method showing the capabilities that the above mentioned methods offer. The results obtained are compared with available methods in the literature. The importance of introducing a rigorous analysis into the synthesis method is emphasized and the results obtained are compared with a commercial software, showing good agreement.

Avaliação da integridade estrutural de elementos de concreto armado a partir das propriedades modais obtidas por técnicas de excitações aleatórias e transientes

A análise dinâmica experimental tem sido amplamente pesquisada como uma ferramenta de avaliação de integridade de estruturas de concreto armado. Existem técnicas de identificação de danos baseadas em propriedades modais como frequências de ressonâncias, deformadas modais, curvaturas modais e amortecimento. Há também técnicas baseadas na não linearidade da resposta dinâmica, que apesar do grande potencial na detecção de danos, têm sido pouco exploradas nos últimos anos. Este trabalho tem por objetivo avaliar a integridade estrutural de vigas de concreto armado através do comportamento da resposta dinâmica. Foram realizados ensaios dinâmicos em duas vigas de concreto armado com 3,5 m de comprimento, 25 cm de largura, 35 cm de altura e idênticas taxas de armaduras, mas configuradas com barras de aço de diferentes diâmetros, 2 ϕ 16 mm e 8 ϕ 8 mm, respectivamente. Tais vigas, inicialmente íntegras, foram submetidas a ciclos de carregamento e descarregamento com intensidades crescentes até atingir a ruptura do elemento. Após cada ciclo, as propriedades dinâmicas foram avaliadas experimentalmente, com o emprego de técnicas de excitação por sinais do tipo aleatório e tipo transiente, respectivamente, visando determinar parâmetros que indiquem a deterioração gradativa do elemento. Nesses ensaios dinâmicos aplicaram-se diferentes amplitudes da força de excitação. Verificou-se que o aumento da amplitude da força dinâmica de excitação provocou reduções nos valores das frequências de ressonância de 1,1% e 2,4%, associadas, respectivamente, às excitações aleatórias e transientes; e um comportamento não linear dos índices de amortecimento, associados às excitações aleatórias, mantendo um crescimento linear com as excitações transientes. Constatou-se, ainda, que os valores das frequências de ressonância decrescem com a redução de rigidez mecânica, diminuída com o aumento do nível de fissuração induzido nos modelos. Já os valores dos índices de amortecimento, após cada ciclo, se comportaram de forma não linear e assumiram diferentes valores, conforme a técnica de excitação empregada. Acredita-se que esta não linearidade está relacionada aos danos provocados no elemento pela solicitação estrutural e, por consequência, ao processo de como a dissipação de energia é empregada no processo de instauração, configuração e propagação das fissuras nos elementos de concreto armado.

Optimal model through identified frequencies of a masonry building structure with wooden floors

The paper presents the analysis of an important historical building: the Saint James Theater in the city of Corfù (Greece) actually used as the Municipality House. The building, located in the center of the city, is made of carves stones and is characterized by a stocky shape and by the presence of wooden floors. The study deals with the structural identification of such structure through the analysis of its ambient vibrations recorded by means of accelerometers with high accuracy. A full dynamic testing was developed using ambient vibrations to identify the main modal parameters and to make a non-destructive characterization of this building. The results of these dynamic tests are compared with the modal analysis of a complex finite element (FE) simulation of the structure. This analysis may present several problems and uncertainties for this stocky building. Due to the presence of wooden floors, the local modes can be highly excited and, as a consequence, the evaluation of the structural modal parameters presents some difficulties.

Paleoceanography on sediment core MD01-2416

IMAGES core MD01-2416 (51°N, 168°E) provides the first centennial-scale multiproxy record of Holocene variation in North Pacific sea-surface temperature (SST), salinity, and biogenic productivity. Our results reveal a gradual decrease in subarctic SST by 3-5 °C from 11.1 to 4.2 ka and a stepwise long-term decrease in sea surface salinity (SSS) by 2-3 p.s.u. Early Holocene SSS were as high as in the modern subtropical Pacific. The steep halocline and stratification that is characteristic of the present-day subarctic North Pacific surface ocean is a fairly recent feature, developed as a product of mid-Holocene environmental change. High SSS matched a salient productivity maximum of biogenic opal during Bølling-to-Early Holocene times, reaching levels similar to those observed during preglacial times in the warm mid-Pliocene prior to 2.73 Ma. Similar productivity spikes marked every preceding glacial termination of the last 800 ka, indicating recurrent short-term events of mid-Pliocene-style intense upwelling of nutrient-rich Pacific Deepwater in the Pleistocene. Such events led to a repeated exposure of CO2-rich deepwater at the ocean surface facilitating a transient CO2 release to the atmosphere, but the timing and duration of these events repudiate a long-term influence of the subarctic North Pacific on global atmospheric CO2 concentration.

Sedimentology and age determinations on core PS2813-1

Die Rekonstruktion des Einflusses von Strömungen und glazialmarinen Prozessen auf das Sedimentationsgeschehen am Kontinentalhang der Antarktischen Halbinsel im westlichen Weddellmeer basiert auf sedimentologischen und geophysikalischen Daten eines Kolbenlotkerns. Der Sedimentkern wurde während des Fahrtabschnitts ANT-XIV/3 mit dem FS "Polarstern" aus einer mächtigen Levee-Struktur eines Rinnen-Rückensystems gewonnen. Es wurden sedimentologische sowie sedimentphysikalische Untersuchungen an dem Kernmaterial durchgeführt. Die texturellen Änderungen im Kern und die Variationen der gemessenen Parameter ermöglichen eine lithofazielle Gliederung und stratigraphische Einstufung der Sedimentabfolge. Die untersuchten Sedimente umfassen den Zeitraum der vier letzten Klimazyklen bis heute und repräsentieren die Ablagerungsbedingungen von mehr als 340 000 Jahren. Vier Faziestypen wurden unterschieden, die sowohl glaziale als auch interglaziale Ablagerungsräume charakterisieren. (1) Die überwiegend groblaminierten Sedimentabfolgen wurden der Laminitfazies zugeordnet. Unter glazialen Umweltbedingungen kam es infolge schwacher Bodenströmungen zur Ablagerung feinkörniger, laminierter, strömungsbetonter Sedimente. (2) Strukturlose, sehr homogene Sedimentabfolgen des Kems beschreiben einen weiteren, den Kaltzeiten zugeordneten, Faziestyp, der durch geringe Variationen in den Sedimenteigenschaften charakterisiert ist. (3) Kernabschnitte, die weitgehend strukturlos sind bzw. leichte Bioturbationen und relativ viel eistransportiertes Material aufweisen, wurden als IRD-Fazies bezeichnet. Sie repräsentiert den Übergang vom Glazial zum Interglazial, in dem sich das Schelfeis und die Meereisbeckung zurückzogen. In den Sedimenten kam es infolge der gesteigerten Kalbungsrate zur Anreicherung der Eisfracht. (4) Die relativ biogenreichen, hellen Ablagerungen wurden der interglazialzeitlichen Karbonatfazies zugeteilt. Der signifikant erhöhte Anteil planktischer Foraminiferen weist auf eine gesteigerte Bioproduktivität im Oberflächenwasser hin, die aus verstärkten jahreszeitlichen Schwankungen der Meereisbedeckung resultiert. Die betrachteten Sedimentationsprozesse, wie biologische Produktivität, Umlagerungsprozesse durch Meeresströmungen, gravitativer Sedimenttransport und Eistransport, sind das Abbild komplexer Wechselwirkungen aus Meeresspiegelschwankungen, Änderungen ozeanographischer Bedingungen und der Vereisungsdynamik. Das Sedimentationsgeschehen im Untersuchungsgebiet wurde folglich durch die Variationen der vorherrschenden Umweltbedingungen bestimmt. Im Glazial kam es unter einer geschlossenen Meereisbedeckung zur Ablagerung feinkörniger, geschichteter Sedimente. Vorwiegend Turbiditströmungen kontrollierten das Sedimentationsgeschehen innerhalb des betrachteten Rinnen-Rückensystems. Unter dem Einfluß der Coriolis-Kraft und wahrscheinlich einer Konturströmung wurden die suspendierten, feinkörnigen Partikel aus dem zentralen Bereich der Rinne verdriftet und über dem nördlichen Uferwall abgelagert. Höherenergetische gravitative Prozesse beeinflußten das Sedimentationsgeschehen episodisch und sind durch gut sortierte Ablagerungen mit erhöhten Gehalten im Mittel- bis Grobsiltbereich dokumentiert. Höhere Sedimentationsraten in den Glazialen trugen verstärkt zur Bildung des Uferwalls bei. Die Ablagerungen der ebenfalls glazialzeitlichen homogenen Fazies belegen unterschiedliche Ablagerungsbedingungen und eine Verschiebung der dominierenden Prozesse. Während des Übergangs vom Glazial zum Interglazial nahm die Bodenwasserbildungsrate durch das Aufschwimmen des Schelfeises zu, wodurch die Strömungsintensität gesteigert wurde. Eine verstärkte Eisbergaktivität wird durch die Anreichung des IRD-Materials dokumentiert. Während interglazialer Zeiten ermöglichten offen-marine Bedingungen im Südsommer eine leicht erhöhte biologische Produktivität, so daß der Ablagerungsraum durch die Sedimentation biogener Komponenten verstärkt beeinflußt wurde.

Sedimentological investigations of a sediment core profile from the continental slope of the South Orkney Islands

Sediment patterns such as texture, composition, and facies from three selected areas of the Antarctic continental margin of the Weddell Sea are discussed in relation to environmental variations of the Quaternary hydrosphere and kryosphere. Advance and retreat of ice shelves as well as oscillations in sea ice coverage are reflected by particular sediment facies. The distribution of ice-rafted detritus tracks the Antarctic Coastal Current, and the Weddell Sea Bottom water contour current can be recognized by its distinctive winnowing and erosion pattern. Distribution and abundance of biogenic sediment components are mainly controlled by duration of sea ice coverage reflecting the long-term climatic evolution.

Sedimentology on cores off Filchner Shelf Ice, Weddell Sea, Antarctica

Sediment sampling with box corer and gravity corer was conducted along a profile parallel to the Filchner/Rønne Ice Shelf, from 48° to 61°W. Twenty-two sampling locations were determined after evaluation of 12 and 3.5 kHz sub-bottom profiling records. The sediment retrievals show a wide diversity, varying from very well sorted pure sands in the SE of the profile to heavily glacially influenced, pebbly muds close to the foot of the Antarctic Peninsula. In the middle part of the profile mainly soft sediments of muddy to sandy muds were found which were partially influenced by glacially derived dropstones or accumulations of pebble-sized material. The striking changes of surface sediments (marine to glacial) observed along the profile led to an attempt to investigate the concurrence of marine and glacial depositional processes controlling the accumulation of these recent sediments.

Grain counts and relative abundances of volcaniclastic sands and sandstones of ODP Leg 180 sites

Modal analysis of middle Miocene to Pleistocene volcaniclastic sands and sandstones recovered from Sites 1108, 1109, 1118, 1112, 1115, 1116, and 1114 within the Woodlark Basin during Leg 180 of the Ocean Drilling Program indicates a complex source history for sand-sized detritus deposited within the basin. Volcaniclastic detritus (i.e., feldspar, ferromagnesian minerals, and volcanic rock fragments) varies substantially throughout the Woodlark Basin. Miocene sandstones of the inferred Trobriand forearc succession contain mafic and subordinate silicic volcanic grains, probably derived from the contemporary Trobriand arc. During the late Miocene, the Trobriand outerarc/forearc (including Paleogene ophiolitic rocks) was subaerially exposed and eroded, yielding sandstones of dominantly mafic composition. Rift-related extension during the late Miocene-late Pliocene led to a transition from terrestrial to neritic and finally bathyal deposition. The sandstones deposited during this period are composed dominantly of silicic volcanic detritus, probably derived from the Amphlett Islands and surrounding areas where volcanic rocks of Pliocene-Pleistocene age occur. During this time terrigenous and metamorphic detritus derived from the Papua New Guinea mainland reached the single turbiditic Woodlark rift basin (or several subbasins) as fine-grained sediments. At Sites 1108, 1109, 1118, 1116, and 1114, serpentinite and metamorphic grains (schist and gneiss) appear as detritus in sandstones younger than ~3 Ma. This is thought to reflect a major pulse of rifting that resulted in the deepening of the Woodlark rift basin and the prevention of terrigenous and metamorphic detritus from reaching the northern rift margin (Site 1115). The Paleogene Papuan ophiolite belt and the Owen Stanley metamorphics were unroofed as the southern margin of the rift was exhumed (e.g., Moresby Seamount) and, in places, subaerially exposed (e.g., D'Entrecasteaux Islands and onshore Cape Vogel Basin), resulting in new and more proximal sources of metamorphic, igneous, and ophiolitic detritus. Continued emergence of the Moresby Seamount during the late Pliocene-early Pleistocene bounded by a major inclined fault scarp yielded talus deposits of similar composition to the above sandstones. Upper Pliocene-Pleistocene sandstones were deposited at bathyal depths by turbidity currents and as subordinate air-fall ash. Silicic glassy (high-K calc-alkaline) volcanic fragments, probably derived from volcanic centers located in Dawson and Moresby Straits, dominated these sandstones.

Mineral an chemical composition of basalts from DSDP Sites 417 and 418, West Atlantic Ocean

Major element composition ranges of closely associated basalt glass-whole rock pairs from individual small cooling units approach the total known range of basalt glass and whole rock compositions at IPOD sites 417 and 418. The whole rock samples fall into two groups: one is depleted in MgO and distinctly enriched in plagioclase but has lost some olivine and/or pyroxene relative to its corresponding glass; and the other is enriched in MgO and in phenocrysts of olivine and pyroxene as well as plagioclase compared to its corresponding glass. By analogy with observed phenocryst distributions in lava pillows, tubes, and dikes, and with some theoretical studies, we infer that bulk rock compositions are strongly affected by phenocryst redistribution due to gravity settling, flotation, and dynamic sorting after eruption, although specific models are not well constrained by the one-dimensional geometry of drill core. Compositional trends or groupings in whole rock data resulting from such late-stage processes should not be confused with more fundamental compositional effects produced in deep chambers or during partial melting.