The effect of earthquakes on reinforced concrete building design

The building under consideration was the Pasadena Furniture Building, on East Colorado St., Pasadena, California. It is a modern reinforced concrete building that may be classed as a warehouse of flat-slab construction.

Observations and Modeling of Tropical Planetary Atmospheres

This thesis is a comprised of three different projects within the topic of tropical atmospheric dynamics. First, I analyze observations of thermal radiation from Saturn’s atmosphere and from them, determine the latitudinal distribution of ammonia vapor near the 1.5-bar pressure level. The most prominent feature of the observations is the high brightness temperature of Saturn’s subtropical latitudes on either side of the equator. After comparing the observations to a microwave radiative transfer model, I find that these subtropical bands require very low ammonia relative humidity below the ammonia cloud layer in order to achieve the high brightness temperatures observed. We suggest that these bright subtropical bands represent dry zones created by a meridionally overturning circulation.

Second, I use a dry atmospheric general circulation model to study equatorial superrotation in terrestrial atmospheres. A wide range of atmospheres are simulated by varying three parameters: the pole-equator radiative equilibrium temperature contrast, the convective lapse rate, and the planetary rotation rate. A scaling theory is developed that establishes conditions under which superrotation occurs in terrestrial atmospheres. The scaling arguments show that superrotation is favored when the off-equatorial baroclinicity and planetary rotation rates are low. Similarly, superrotation is favored when the convective heating strengthens, which may account for the superrotation seen in extreme global-warming simulations.

Third, I use a moist slab-ocean general circulation model to study the impact of a zonally-symmetric continent on the distribution of monsoonal precipitation. I show that adding a hemispheric asymmetry in surface heat capacity is sufficient to cause symmetry breaking in both the spatial and temporal distribution of precipitation. This spatial symmetry breaking can be understood from a large-scale energetic perspective, while the temporal symmetry breaking requires consideration of the dynamical response to the heat capacity asymmetry and the seasonal cycle of insolation. Interestingly, the idealized monsoonal precipitation bears resemblance to precipitation in the Indian monsoon sector, suggesting that this work may provide insight into the causes of the temporally asymmetric distribution of precipitation over southeast Asia.

Metaconcrete: Engineered aggregates for enhanced dynamic performance

This work presents the development and investigation of a new type of concrete for the attenuation of waves induced by dynamic excitation. Recent progress in the field of metamaterials science has led to a range of novel composites which display unusual properties when interacting with electromagnetic, acoustic, and elastic waves. A new structural metamaterial with enhanced properties for dynamic loading applications is presented, which is named metaconcrete. In this new composite material the standard stone and gravel aggregates of regular concrete are replaced with spherical engineered inclusions. Each metaconcrete aggregate has a layered structure, consisting of a heavy core and a thin compliant outer coating. This structure allows for resonance at or near the eigenfrequencies of the inclusions, and the aggregates can be tuned so that resonant oscillations will be activated by particular frequencies of an applied dynamic loading. The activation of resonance within the aggregates causes the overall system to exhibit negative effective mass, which leads to attenuation of the applied wave motion. To investigate the behavior of metaconcrete slabs under a variety of different loading conditions a finite element slab model containing a periodic array of aggregates is utilized. The frequency dependent nature of metaconcrete is investigated by considering the transmission of wave energy through a slab, which indicates the presence of large attenuation bands near the resonant frequencies of the aggregates. Applying a blast wave loading to both an elastic slab and a slab model that incorporates the fracture characteristics of the mortar matrix reveals that a significant portion of the supplied energy can be absorbed by aggregates which are activated by the chosen blast wave profile. The transfer of energy from the mortar matrix to the metaconcrete aggregates leads to a significant reduction in the maximum longitudinal stress, greatly improving the ability of the material to resist damage induced by a propagating shock wave. The various analyses presented in this work provide the theoretical and numerical background necessary for the informed design and development of metaconcrete aggregates for dynamic loading applications, such as blast shielding, impact protection, and seismic mitigation.

Análisis comparativo de cuatro soluciones de forjado

[ES]Se trata de realizar el cálculo de un forjado mediante cuatro soluciones constructivas diferentes, nervios in situ, viguetas prefabricadas, prelosas y placas alveolares. Se quiere establecer cuál es la solución más adecuada para diferentes distancias entre apoyos. Para ello se harán dos estudios con diferentes herramientas informáticas, Excel y CYPE.

Um método SN híbrido direto para cálculos de sistemas combustível-moderador em geometria unidimensional

Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Desenvolvemos nesta dissertação um método híbrido direto para o cálculo do fator de desvantagem e descrição da distribuição do fluxo de nêutrons em sistemas combustível-moderador. Na modelagem matemática, utilizamos a equação de transporte de Boltzmann independente do tempo, considerando espalhamento linearmente anisotrópico no modelo monoenergético e espalhamento isotrópico no modelo multigrupo, na formulação de ordenadas discretas (SN), em geometria unidimensional. Descrevemos uma análise espectral das equações de ordenadas discretas (SN)a um grupo e a dois grupos de energia, onde seguimos uma analogia com o método de Case. Utilizamos, neste método, quadraturas angulares diferentes no combustível (NC) e no moderador (NM), onde em geral assumimos que NC > NM . Condições de continuidade especiais que acoplam os fluxos angulares que emergem do combustível (moderador) e incidem no moderador (combustível), foram utilizadas com base na equivalência entre as equações SN e PN-1, o que caracteriza a propriedade híbrida do modelo proposto. Sendo um método híbrido direto, utilizamos as NC + NM equações lineares e algébricas constituídas pelas (NC + NM)/2 condições de contorno reflexivas e (NC + NM)/2 condições de continuidade para determinarmos as NC + NM constantes. Com essas constantes podemos calcular os valores dos fluxos angulares e dos fluxos escalares em qualquer ponto do domínio. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a eficiência e a precisão do método proposto.

Investigations in the theory of electromagnetic scattering from expanding dielectric obstacles

An equation for the reflection which results when an expanding dielectric slab scatters normally incident plane electromagnetic waves is derived using the invariant imbedding concept. The equation is solved approximately and the character of the solution is investigated. Also, an equation for the radiation transmitted through such a slab is similarly obtained. An alternative formulation of the slab problem is presented which is applicable to the analogous problem in spherical geometry. The form of an equation for the modal reflections from a nonrelativistically expanding sphere is obtained and some salient features of the solution are described. In all cases the material is assumed to be a nondispersive, nonmagnetic dielectric whose rest frame properties are slowly varying.

Fachada de chapa perforada: análisis de su comportamiento acústico

[ES]Este proyecto tiene como objetivo servir de punto de partida al estudio del comportamiento acústico de las chapas perforadas como solución para el revestimiento de fachadas. Para ello se presentan dos posibles modelos de fachada analizados a través del software SoundFlow que determina su coeficiente de absorción. Con el fin de encontrar la solución más adecuada nos centraremos en las siguientes variables: separación de la chapa a la pared (d), diámetro del agujero de las chapas (Ø), y porcentaje de área perforada de la chapa o porosidad (p). Previamente se estudiarán las principales fuentes de contaminación acústica y su espectro de ruido para determinar la frecuencia en la que deben centrarse nuestros esfuerzos por aumentar el coeficiente de absorción.

Otto Kelland’s Model Dories and the Digital Archives Initiative

Otto Kelland was a truly unique individual in Newfoundland. During his long life he had several careers from being a prison superintendant to being an instructor at Marine Institute. During his life Kelland made hundreds of wooden boat models. They are beautifuly hand-crafted and represented the type of watercraft used by fishermen in Newfoundland. The collection of boat models made by Otto Kelland and owned by Marine Institute made an ideal object to be digitalized. In particular the collection of dories was an ideal group to be digitized. They were housed in one cabinet and accompanied by hand-written documents describing each model. The Digital Archives Initiative (DAI) is a “gateway to the learning and research-based cultural resources held by Memorial University of Newfoundland and partnering organizations.” The DAI hosts a variety of collections which together reinforce the importance, past and present, of Newfoundland and Labrador's history and culture. I will give an oral presentation of the project followed by a demonstration of the Otto Kelland Dories exhibit on the Digital Archives Initiative (DAI) at Memorial University of Newfoundland. I will be happy to answer questions following my presentation.

Avaliação da influência do material de confecção das matrizes no teste de conversão monomérica por espectrometria no infravermelho de um compósito

Este estudo teve por objetivo avaliar, in vitro, a influência do material de confecção das matrizes, traçando um perfil da conversão monomérica de um compósito micro-híbrido, além de avaliar qual dos materiais testados mais se assemelha a uma matriz de dentina. A avaliação foi feita através da análise do grau de conversão (GC). Foram confeccionadas 3 matrizes bipartidas, sendo estas de teflon negro, tefon branco e aço inoxidável, ambas com 10mm de diâmetro e 2 mm de profundidade. Para o grupo controle foi utilizado um incisivo central bovino, o qual teve sua face vestibular aplainada em uma lixadeira sob refrigeração constante, com o auxílio de uma lixa de carbeto de silício, número 800. Após, este dente foi preparado com uma broca diamantada número 2294 (KG Sorensen) em alta rotação, própria para a preparação de cavidades padronizadas para ensaios de laboratório, apresentando um limitador de penetração. Em seguida, com um motor de baixa rotação foi realizado o acabamento das paredes, obtendo-se uma cavidade de 2,0 mm de profundidade por 9,0 mm de diâmetro. Pela palatina desse dente, com uma broca carbide cilíndrica de numeração 2056 (KG Sorensen), fez-se uma penetração até se obter uma parede de dentina extremamente fina, porém sem que esta fosse rompida. Assim, com uma agulha, fez-se uma pequena perfuração no centro dessa dentina para que este instrumental servisse como um pino para remoção do corpo de prova de dentro da matriz de dente. Os corpos de prova (CP) foram obtidos a partir da inserção do compósito no interior da perfuração das matrizes em um único incremento e cobertos na superfície externa com uma matriz de poliéster mais uma lamínula de vidro. Os CP foram fotopolimerizados por 40 s pela fonte de luz halógena Optilux 501 (Demetron), com 500 mW/cm. Imediatamente após a polimerização, os corpos de prova eram submetidos no topo e na base para a análise de espectrometria no infravermelho para a determinação da profundidade de polimerização, pela técnica do filme vazado para o compósito não polimerizado e pela técnica da pastilha de brometo de potássio (KBr) para o compósito polimerizado. Foram confeccionados 5 CP de cada grupo. Em cada grupo, o compósito da base e do topo das amostras foi moído até se obter de 1,5 a 2,0 mg de pó e misturado com 70 mg de KBr, para obtenção da pastilha de KBr. Foi feita a análise de espectrofotometria no infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). As absorções selecionadas para o cálculo foram 1610 cm-1 e 1637 cm-1, os picos dos espectros das ligações dos carbonos aromáticos e alifáticos, respectivamente. Os dados obtidos foram tratados estatisticamente. Os grupos Gr1B, Gr2B, Gr3B e Gr4B representam, respectivamente, as bases dos CP confeccionados pelas matrizes de DB, TN, TB e AI. Já os Gr1T, Gr2T, Gr3T e Gr4T representam os topos. Médias (%) e DP: Gr1T (46,461,99), Gr2T (39,864,51), Gr3T (44,053,44) e Gr4T (38,045,08). Gr1B (40,441,49), Gr2B (36,153,81), Gr3B (40,093,18) e Gr4B (35,593,35). Em posse dos resultados, pôde-se concluir que os grupos do teflon negro, teflon branco e aço inoxidável não apresentaram diferenças entre o grau de conversão do topo e da base, enquanto que o grupo da dentina apresentou maior conversão do topo. Comparando as matrizes entre elas, pôde-se perceber que no topo, o GC do dente bovino é maior que o GC do aço inoxidável e do que o de teflon negro, o GC do teflon branco é maior que o GC do aço inoxidável e do que o de teflon negro. Já o topo dos grupos de dente bovino e teflon banco foram semelhantes. Nas bases dos CPs, não houve diferença significativa entre os grupos testados. De acordo com os resultados obtidos no experimento, pôde-se concluir que nos grupos do teflon negro, teflon branco e aço inoxidável não houve diferença entre 0 e 2 mm, ou seja, topo e base, o que mostra que o material de confecção da matriz não influênciou o grau de conversão do compósito. Já para o grupo da matriz de dentina, o topo apresentou valor de conversão monomérica maior, mostrando que, neste caso, o material da matriz interferiu no grau de conversão. Pode-se perceber também que existe uma tendência da matriz de teflon branco se assemelhar mais a matriz de dentina, pois foi o único grupo que apresentou semelhança nos valores de conversão monomérica no topo das amostras. Porém analisando a base das amostras, percebe-se que todos os grupos se comportaram de forma semelhante, obtendo valores do grau de conversão sem diferença significante.

Imaging the earth with ambient noise and earthquakes

In this thesis, I develop the velocity and structure models for the Los Angeles Basin and Southern Peru. The ultimate goal is to better understand the geological processes involved in the basin and subduction zone dynamics. The results are obtained from seismic interferometry using ambient noise and receiver functions using earthquake- generated waves. Some unusual signals specific to the local structures are also studied. The main findings are summarized as follows:

(1) Los Angeles Basin

The shear wave velocities range from 0.5 to 3.0 km/s in the sediments, with lateral gradients at the Newport-Inglewood, Compton-Los Alamitos, and Whittier Faults. The basin is a maximum of 8 km deep along the profile, and the Moho rises to a depth of 17 km under the basin. The basin has a stretch factor of 2.6 in the center decreasing to 1.3 at the edges, and is in approximate isostatic equilibrium. This "high-density" (~1 km spacing) "short-duration" (~1.5 month) experiment may serve as a prototype experiment that will allow basins to be covered by this type of low-cost survey.

(2) Peruvian subduction zone

Two prominent mid-crust structures are revealed in the 70 km thick crust under the Central Andes: a low-velocity zone interpreted as partially molten rocks beneath the Western Cordillera – Altiplano Plateau, and the underthrusting Brazilian Shield beneath the Eastern Cordillera. The low-velocity zone is oblique to the present trench, and possibly indicates the location of the volcanic arcs formed during the steepening of the Oligocene flat slab beneath the Altiplano Plateau.

The Nazca slab changes from normal dipping (~25 degrees) subduction in the southeast to flat subduction in the northwest of the study area. In the flat subduction regime, the slab subducts to ~100 km depth and then remains flat for ~300 km distance before it resumes a normal dipping geometry. The flat part closely follows the topography of the continental Moho above, indicating a strong suction force between the slab and the overriding plate. A high-velocity mantle wedge exists above the western half of the flat slab, which indicates the lack of melting and thus explains the cessation of the volcanism above. The velocity turns to normal values before the slab steepens again, indicating possible resumption of dehydration and ecologitization.

(3) Some unusual signals

Strong higher-mode Rayleigh waves due to the basin structure are observed in the periods less than 5 s. The particle motions provide a good test for distinguishing between the fundamental and higher mode. The precursor and coda waves relative to the interstation Rayleigh waves are observed, and modeled with a strong scatterer located in the active volcanic area in Southern Peru. In contrast with the usual receiver function analysis, multiples are extensively involved in this thesis. In the LA Basin, a good image is only from PpPs multiples, while in Peru, PpPp multiples contribute significantly to the final results.

单晶集成的1×N电光开关

为了使光学系统更加紧凑化和稳定化，本文提出了一种单晶集成的1×N电光开关：它有2个折射面，4个互相垂直的全内反射面，和N-1个电光调制器．还得到了该种1×N电光开关的构成条件：发生两相邻反射的反射面必须互相垂直．并对晶体的结构进行了优化，通过调整光束输出面与光轴的夹角来改变光束出射角，使得接收端易于接收输出的光信号．给出1×3电光开关的实例．

Dynamical models for the Earth's geoid

The Earth's largest geoid anomalies occur at the lowest spherical harmonic degrees, or longest wavelengths, and are primarily the result of mantle convection. Thermal density contrasts due to convection are partially compensated by boundary deformations due to viscous flow whose effects must be included in order to obtain a dynamically consistent model for the geoid. These deformations occur rapidly with respect to the timescale for convection, and we have analytically calculated geoid response kernels for steady-state, viscous, incompressible, self-gravitating, layered Earth models which include the deformation of boundaries due to internal loads. Both the sign and magnitude of geoid anomalies depend strongly upon the viscosity structure of the mantle as well as the possible presence of chemical layering.

Correlations of various global geophysical data sets with the observed geoid can be used to construct theoretical geoid models which constrain the dynamics of mantle convection. Surface features such as topography and plate velocities are not obviously related to the low-degree geoid, with the exception of subduction zones which are characterized by geoid highs (degrees 4-9). Recent models for seismic heterogeneity in the mantle provide additional constraints, and much of the low-degree (2-3) geoid can be attributed to seismically inferred density anomalies in the lower mantle. The Earth's largest geoid highs are underlain by low density material in the lower mantle, thus requiring compensating deformations of the Earth's surface. A dynamical model for whole mantle convection with a low viscosity upper mantle can explain these observations and successfully predicts more than 80% of the observed geoid variance.

Temperature variations associated with density anomalies in the man tie cause lateral viscosity variations whose effects are not included in the analytical models. However, perturbation theory and numerical tests show that broad-scale lateral viscosity variations are much less important than radial variations; in this respect, geoid models, which depend upon steady-state surface deformations, may provide more reliable constraints on mantle structure than inferences from transient phenomena such as postglacial rebound. Stronger, smaller-scale viscosity variations associated with mantle plumes and subducting slabs may be more important. On the basis of numerical modelling of low viscosity plumes, we conclude that the global association of geoid highs (after slab effects are removed) with hotspots and, perhaps, mantle plumes, is the result of hot, upwelling material in the lower mantle; this conclusion does not depend strongly upon plume rheology. The global distribution of hotspots and the dominant, low-degree geoid highs may correspond to a dominant mode of convection stabilized by the ancient Pangean continental assemblage.

单块晶体集成的N×N纵横开关网络及其控制算法

设计了一种单块晶体集成的n×n纵横开关(Crossbar)网络。通过综合考虑晶体的双折射和全内双反射现象,以及晶体的电光效应,将构成n×n纵横开关网络的所有单元器件都集成到一块具有电光效应的双折射晶体上。同时,给出了该网络的控制算法,通过对开关工作状态的控制,可以实现任意输入输出通道之间的无阻塞连接。这种单块晶体集成的纵横开关网络具有能量损耗低、无阻塞、易安装、抗干扰等优点,适合于全光网络发展的需要。

A metal-mirror-based reflecting polarizing beam splitter

We theoretically investigated the design of a metal-mirror-based reflecting polarizing beam splitter (RPBS). The metal mirror is a silver slab, which is embedded in the substrate of a rectangular silica transmission grating. By using a modal analysis and rigorous coupled-wave analysis, an RPBS grating is designed for operation at 1550 nm. When it is illuminated in Littrow mounting, the transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) waves will be mainly reflected in the minus-first and zeroth orders, respectively. Moreover, a wideband RPBS grating is obtained by adopting the simulated annealing algorithm. The RPBS gratings exhibit high diffraction efficiencies (similar to 95%) and high extinction ratios over a certain angle and wavelength range, especially for the minus-first-order reflection. This kind of RPBS should be useful in practical optical applications.

Um método sintético de difusão para aceleração do esquema de fonte de espalhamento em cálculos SN unidimensionais de fonte fixa

O esquema iterativo de fonte de espalhamento (SI) é tradicionalmente aplicado para a convergência da solução numérica de malha fina para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas com fonte fixa. O esquema SI é muito simples de se implementar sob o ponto de vista computacional; porém, o esquema SI pode apresentar taxa de convergência muito lenta, principalmente para meios difusivos (baixa absorção) com vários livres caminhos médios de extensão. Nesta dissertação descrevemos uma técnica de aceleração baseada na melhoria da estimativa inicial para a distribuição da fonte de espalhamento no interior do domínio de solução. Em outras palavras, usamos como estimativa inicial para o fluxo escalar médio na grade de discretização de malha fina, presentes nos termos da fonte de espalhamento das equações discretizadas SN usadas nas varreduras de transporte, a solução numérica da equação da difusão de nêutrons em grade espacial de malha grossa com condições de contorno especiais, que aproximam as condições de contorno prescritas que são clássicas em cálculos SN, incluindo condições de contorno do tipo vácuo. Para aplicarmos esta solução gerada pela equação da difusão em grade de discretização de malha grossa nas equações discretizadas SN de transporte na grade de discretização de malha fina, primeiro implementamos uma reconstrução espacial dentro de cada nodo de discretização, e então determinamos o fluxo escalar médio em grade de discretização de malha fina para usá-lo nos termos da fonte de espalhamento. Consideramos um número de experimentos numéricos para ilustrar a eficiência oferecida pela presente técnica (DSA) de aceleração sintética de difusão.