A new ground motion intensity measure, peak filtered acceleration (PFA), to estimate collapse vulnerability of buildings in earthquakes

In this thesis, we develop an efficient collapse prediction model, the PFA (Peak Filtered Acceleration) model, for buildings subjected to different types of ground motions.

For the structural system, the PFA model covers modern steel and reinforced concrete moment-resisting frame buildings (potentially reinforced concrete shear wall buildings). For ground motions, the PFA model covers ramp-pulse-like ground motions, long-period ground motions, and short-period ground motions.

To predict whether a building will collapse in response to a given ground motion, we first extract long-period components from the ground motion using a Butterworth low-pass filter with suggested order and cutoff frequency. The order depends on the type of ground motion, and the cutoff frequency depends on the building’s natural frequency and ductility. We then compare the filtered acceleration time history with the capacity of the building. The capacity of the building is a constant for 2-dimentional buildings and a limit domain for 3-dimentional buildings. If the filtered acceleration exceeds the building’s capacity, the building is predicted to collapse. Otherwise, it is expected to survive the ground motion.

The parameters used in PFA model, which include fundamental period, global ductility and lateral capacity, can be obtained either from numerical analysis or interpolation based on the reference building system proposed in this thesis.

The PFA collapse prediction model greatly reduces computational complexity while archiving good accuracy. It is verified by FEM simulations of 13 frame building models and 150 ground motion records.

Based on the developed collapse prediction model, we propose to use PFA (Peak Filtered Acceleration) as a new ground motion intensity measure for collapse prediction. We compare PFA with traditional intensity measures PGA, PGV, PGD, and Sa in collapse prediction and find that PFA has the best performance among all the intensity measures.

We also provide a close form in term of a vector intensity measure (PGV, PGD) of the PFA collapse prediction model for practical collapse risk assessment.

Geometric integration applied to moving mesh methods and degenerate Lagrangians

Moving mesh methods (also called r-adaptive methods) are space-adaptive strategies used for the numerical simulation of time-dependent partial differential equations. These methods keep the total number of mesh points fixed during the simulation, but redistribute them over time to follow the areas where a higher mesh point density is required. There are a very limited number of moving mesh methods designed for solving field-theoretic partial differential equations, and the numerical analysis of the resulting schemes is challenging. In this thesis we present two ways to construct r-adaptive variational and multisymplectic integrators for (1+1)-dimensional Lagrangian field theories. The first method uses a variational discretization of the physical equations and the mesh equations are then coupled in a way typical of the existing r-adaptive schemes. The second method treats the mesh points as pseudo-particles and incorporates their dynamics directly into the variational principle. A user-specified adaptation strategy is then enforced through Lagrange multipliers as a constraint on the dynamics of both the physical field and the mesh points. We discuss the advantages and limitations of our methods. The proposed methods are readily applicable to (weakly) non-degenerate field theories---numerical results for the Sine-Gordon equation are presented.

In an attempt to extend our approach to degenerate field theories, in the last part of this thesis we construct higher-order variational integrators for a class of degenerate systems described by Lagrangians that are linear in velocities. We analyze the geometry underlying such systems and develop the appropriate theory for variational integration. Our main observation is that the evolution takes place on the primary constraint and the 'Hamiltonian' equations of motion can be formulated as an index 1 differential-algebraic system. We then proceed to construct variational Runge-Kutta methods and analyze their properties. The general properties of Runge-Kutta methods depend on the 'velocity' part of the Lagrangian. If the 'velocity' part is also linear in the position coordinate, then we show that non-partitioned variational Runge-Kutta methods are equivalent to integration of the corresponding first-order Euler-Lagrange equations, which have the form of a Poisson system with a constant structure matrix, and the classical properties of the Runge-Kutta method are retained. If the 'velocity' part is nonlinear in the position coordinate, we observe a reduction of the order of convergence, which is typical of numerical integration of DAEs. We also apply our methods to several models and present the results of our numerical experiments.

The electron trajectory in a relativistic femtosecond laser pulse

In this report, we start from Lagrange equation and analyze theoretically the electron dynamics in electromagnetic field. By solving the relativistic government equations of electron, the trajectories of an electron in plane laser pulse, focused laser pulse have been given for different initial conditions. The electron trajectory is determined by its initial momentum, the amplitude, spot size and polarization of the laser pulse. The optimum initial momentum of the electron for LSS (laser synchrotron source) is obtained. Linear polarized laser is more advantaged than circular polarized laser for generating harmonic radiation.

Micromechanical damage and fracture in elastomeric polymers

This thesis aims at a simple one-parameter macroscopic model of distributed damage and fracture of polymers that is amenable to a straightforward and efficient numerical implementation. The failure model is motivated by post-mortem fractographic observations of void nucleation, growth and coalescence in polyurea stretched to failure, and accounts for the specific fracture energy per unit area attendant to rupture of the material.

Furthermore, it is shown that the macroscopic model can be rigorously derived, in the sense of optimal scaling, from a micromechanical model of chain elasticity and failure regularized by means of fractional strain-gradient elasticity. Optimal scaling laws that supply a link between the single parameter of the macroscopic model, namely the critical energy-release rate of the material, and micromechanical parameters pertaining to the elasticity and strength of the polymer chains, and to the strain-gradient elasticity regularization, are derived. Based on optimal scaling laws, it is shown how the critical energy-release rate of specific materials can be determined from test data. In addition, the scope and fidelity of the model is demonstrated by means of an example of application, namely Taylor-impact experiments of polyurea rods. Hereby, optimal transportation meshfree approximation schemes using maximum-entropy interpolation functions are employed.

Finally, a different crazing model using full derivatives of the deformation gradient and a core cut-off is presented, along with a numerical non-local regularization model. The numerical model takes into account higher-order deformation gradients in a finite element framework. It is shown how the introduction of non-locality into the model stabilizes the effect of strain localization to small volumes in materials undergoing softening. From an investigation of craze formation in the limit of large deformations, convergence studies verifying scaling properties of both local- and non-local energy contributions are presented.

Um estudo da atenção primária à saúde mediante o indicador: Internações por condições sensíveis à atenção ambulatorial (CSAA)

A Atenção Primária à Saúde - APS é reconhecida como o nível fundamental e porta de entrada do sistema de atenção à saúde, sendo o lugar adequado onde pode ser atendida e resolvida a maior parte dos problemas de saúde. É considerada pela OMS como a principal proposta de modelo assistencial. Essa importância da APS leva a necessidade de pesquisas avaliativas dos seus resultados para adequação e melhoria de políticas e planos de ação delineados em relação à mesma. Pesquisas internacionais e nacionais são realizadas, nas quais indicadores relativos às atividades hospitalares estão sendo empregados com o objetivo de medir resultados como efetividade e acesso da APS. Um desses indicadores, desenvolvido por John Billings da Universidade de Nova York, na década de 90, consiste nas condições pelas quais as internações hospitalares por Condições Sensíveis à Atenção Ambulatorial (CSAA) deveriam ser evitadas caso os serviços da APS fossem efetivos e acessíveis. Utilizando-se o SIH-AIH/2008 e a lista brasileira de Internações por Condições Sensíveis a Atenção Primária, publicada em 2008, a proposta do presente trabalho é a de estudar os cuidados primários à saúde baseando-se nas ICSAA, na área urbana da cidade de Juiz de Fora-MG. Buscou-se responder sobre os efeitos que ocorrem nessas internações a partir das características individuais dos pacientes, das características das Unidades Básicas de Saúde-UBS (infraestrutura, produção e modelos assistenciais) e das condições sócio-econômicas/ambientais das áreas cobertas por UAPS e descobertas (sem UAPS), com a utilização de modelos multiníveis logísticos com intercepto aleatório. Buscou-se conhecer, também, a distribuição espacial das taxas padronizadas por idade das ICSAA nessas áreas e suas associações com as variáveis contextuais, utilizando-se ferramentas da análise espacial. Os resultados do presente trabalho mostraram que a porcentagem de internações por CSAA, foi de 4,1%. Os modelos assistenciais ESF e o Modelo Tradicional, base da organização da atenção primária no Brasil, não apresentaram no município, impacto significativo nas ICSAA, somente na forma de áreas descobertas tendo como referência as áreas cobertas. Também não foram significativas as variáveis de infraestrutura e produção das UAPS. Os efeitos individuais (idade e sexo) nas ICSAA foram significativos, apresentando probabilidades de significância menores que 1%, o mesmo acontecendo com o Índice de Desenvolvimento Social-IDS, que contempla as condições sociais, econômicas e ambientais das áreas analisadas. A distribuição espacial das taxas padronizadas por idade apresentou padrão aleatório e os testes dos Multiplicadores de Lagrange não foram significativos indicando o modelo de regressão clássico (MQO) como adequado para explicar as taxas em função das variáveis contextuais. Para a análise conjunta das áreas cobertas e descobertas foram fatores de risco: a variável econômica (% dos domicílios com renda até 2 SM), áreas descobertas tendo como referência as áreas cobertas e a região nordeste do município. Para as áreas cobertas as variáveis de produção das UAPS, econômica e a região nordeste apresentaram como fator de risco para as taxas de internação por CSAA.

Toward Understanding Astrophysical Phenomena

Fast radio bursts (FRBs), a novel type of radio pulse, whose physics is not yet understood at all. Only a handful of FRBs had been detected when we started this project. Taking account of the scant observations, we put physical constraints on FRBs. We excluded proposals of a galactic origin for their extraordinarily high dispersion measures (DM), in particular stellar coronas and HII regions. Therefore our work supports an extragalactic origin for FRBs. We show that the resolved scattering tail of FRB 110220 is unlikely to be due to propagation through the intergalactic plasma. Instead the scattering is probably caused by the interstellar medium in the FRB's host galaxy, and indicates that this burst sits in the central region of that galaxy. Pulse durations of order $\ms$ constrain source sizes of FRBs implying enormous brightness temperatures and thus coherent emission. Electric fields near FRBs at cosmological distances would be so strong that they could accelerate free electrons from rest to relativistic energies in a single wave period. When we worked on FRBs, it was unclear whether they were genuine astronomical signals as distinct from `perytons', clearly terrestrial radio bursts, sharing some common properties with FRBs. Recently, in April 2015, astronomers discovered that perytons were emitted by microwave ovens. Radio chirps similar to FRBs were emitted when their doors opened while they were still heating. Evidence for the astronomical nature of FRBs has strengthened since our paper was published. Some bursts have been found to show linear and circular polarizations and Faraday rotation of the linear polarization has also been detected. I hope to resume working on FRBs in the near future. But after we completed our FRB paper, I decided to pause this project because of the lack of observational constraints.

The pulsar triple system, J0733+1715, has its orbital parameters fitted to high accuracy owing to the precise timing of the central $\ms$ pulsar. The two orbits are highly hierarchical, namely $P_{\mathrm{orb,1}}\ll P_{\mathrm{orb,2}}$, where 1 and 2 label the inner and outer white dwarf (WD) companions respectively. Moreover, their orbital planes almost coincide, providing a unique opportunity to study secular interaction associated purely with eccentricity beyond the solar system. Secular interaction only involves effect averaged over many orbits. Thus each companion can be represented by an elliptical wire with its mass distributed inversely proportional to its local orbital speed. Generally there exists a mutual torque, which vanishes only when their apsidal lines are parallel or anti-parallel. To maintain either mode, the eccentricity ratio, $e_1/e_2$, must be of the proper value, so that both apsidal lines precess together. For J0733+1715, $e_1\ll e_2$ for the parallel mode, while $e_1\gg e_2$ for the anti-parallel one. We show that the former precesses $\sim 10$ times slower than the latter. Currently the system is dominated by the parallel mode. Although only a little anti-parallel mode survives, both eccentricities especially $e_1$ oscillate on $\sim 10^3\yr$ timescale. Detectable changes would occur within $\sim 1\yr$. We demonstrate that the anti-parallel mode gets damped $\sim 10^4$ times faster than its parallel brother by any dissipative process diminishing $e_1$. If it is the tidal damping in the inner WD, we proceed to estimate its tidal quantity parameter ($Q$) to be $\sim 10^6$, which was poorly constrained by observations. However, tidal damping may also happen during the preceding low-mass X-ray binary (LMXB) phase or hydrogen thermal nuclear flashes. But, in both cases, the inner companion fills its Roche lobe and probably suffers mass/angular momentum loss, which might cause $e_1$ to grow rather than decay.

Several pairs of solar system satellites occupy mean motion resonances (MMRs). We divide these into two groups according to their proximity to exact resonance. Proximity is measured by the existence of a separatrix in phase space. MMRs between Io-Europa, Europa-Ganymede and Enceladus-Dione are too distant from exact resonance for a separatrix to appear. A separatrix is present only in the phase spaces of the Mimas-Tethys and Titan-Hyperion MMRs and their resonant arguments are the only ones to exhibit substantial librations. When a separatrix is present, tidal damping of eccentricity or inclination excites overstable librations that can lead to passage through resonance on the damping timescale. However, after investigation, we conclude that the librations in the Mimas-Tethys and Titan-Hyperion MMRs are fossils and do not result from overstability.

Rubble piles are common in the solar system. Monolithic elements touch their neighbors in small localized areas. Voids occupy a significant fraction of the volume. In a fluid-free environment, heat cannot conduct through voids; only radiation can transfer energy across them. We model the effective thermal conductivity of a rubble pile and show that it is proportional the square root of the pressure, $P$, for $P\leq \epsy^3\mu$ where $\epsy$ is the material's yield strain and $\mu$ its shear modulus. Our model provides an excellent fit to the depth dependence of the thermal conductivity in the top $140\,\mathrm{cm}$ of the lunar regolith. It also offers an explanation for the low thermal inertias of rocky asteroids and icy satellites. Lastly, we discuss how rubble piles slow down the cooling of small bodies such as asteroids.

Electromagnetic (EM) follow-up observations of gravitational wave (GW) events will help shed light on the nature of the sources, and more can be learned if the EM follow-ups can start as soon as the GW event becomes observable. In this paper, we propose a computationally efficient time-domain algorithm capable of detecting gravitational waves (GWs) from coalescing binaries of compact objects with nearly zero time delay. In case when the signal is strong enough, our algorithm also has the flexibility to trigger EM observation {\it before} the merger. The key to the efficiency of our algorithm arises from the use of chains of so-called Infinite Impulse Response (IIR) filters, which filter time-series data recursively. Computational cost is further reduced by a template interpolation technique that requires filtering to be done only for a much coarser template bank than otherwise required to sufficiently recover optimal signal-to-noise ratio. Towards future detectors with sensitivity extending to lower frequencies, our algorithm's computational cost is shown to increase rather insignificantly compared to the conventional time-domain correlation method. Moreover, at latencies of less than hundreds to thousands of seconds, this method is expected to be computationally more efficient than the straightforward frequency-domain method.

Estimativa do erro de discretização analítico na solução de equações diferenciais utilizando o Método de Volumes Finitos

As análises de erros são conduzidas antes de qualquer projeto a ser desenvolvido. A necessidade do conhecimento do comportamento do erro numérico em malhas estruturadas e não-estruturadas surge com o aumento do uso destas malhas nos métodos de discretização. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi criar uma metodologia para analisar os erros de discretização gerados através do truncamento na Série de Taylor, aplicados às equações de Poisson e de Advecção-Difusão estacionárias uni e bidimensionais, utilizando-se o Método de Volumes Finitos em malhas do tipo Voronoi. A escolha dessas equações se dá devido a sua grande utilização em testes de novos modelos matemáticos e função de interpolação. Foram usados os esquemas Central Difference Scheme (CDS) e Upwind Difference Scheme(UDS) nos termos advectivos. Verificou-se a influência do tipo de condição de contorno e a posição do ponto gerador do volume na solução numérica. Os resultados analíticos foram confrontados com resultados experimentais para dois tipos de malhas de Voronoi, uma malha cartesiana e outra triangular comprovando a influência da forma do volume finito na solução numérica obtida. Foi percebido no estudo que a discretização usando o esquema CDS tem erros menores do que a discretização usando o esquema UDS conforme literatura. Também se percebe a diferença nos erros em volumes vizinhos nas malhas triangulares o que faz com que não se tenha uma uniformidade nos gráficos dos erros estudados. Percebeu-se que as malhas cartesianas com nó no centróide do volume tem menor erro de discretização do que malhas triangulares. Mas o uso deste tipo de malha depende da geometria do problema estudado

Análisis Dinámico de mecanismos paralelos con requisitos de diseño mecatrónico

[ES]El objetivo del presente TFG es el Análisis Dinámico de mecanismos paralelos según las necesidades de la mecatrónica. La mecatrónica requiere expresiones explícitas de las fuerzas motoras que sólo dependen de las propias posiciones, velocidades y aceleraciones en los accionamientos. Ello requiere métodos avanzados de la mecánica analítica de sólido rígido. Concretamente se han desarrollado la ecuación de Lagrange modificada (según [11]) y la ecuación de Boltzmann-Hamel modificada, siendo esta última una aportación de este TFG. Como aplicación práctica se ha programado un modelo mecatrónico para un manipulador paralelo 5R y se ha optimizado el diseño de una Multi Axis Simulation Table 3PRS.

Uncovering the Lagrangian from observations of trajectories

We approach the problem of automatically modeling a mechanical system from data about its dynamics, using a method motivated by variational integrators. We write the discrete Lagrangian as a quadratic polynomial with varying coefficients, and then use the discrete Euler-Lagrange equations to numerically solve for the values of these coefficients near the data points. This method correctly modeled the Lagrangian of a simple harmonic oscillator and a simple pendulum, even with significant measurement noise added to the trajectories.

Utilização da transformada de características invariante a escala (SIFT) na automatização da obtenção de pontos do Sistema de Imagens Tridimensional Híbrido (SITH)

Esta dissertação apresenta um aperfeiçoamento para o Sistema de Imagens Tridimensional Híbrido (SITH) que é utilizado para obtenção de uma superfície tridimensional do relevo de uma determinada região a partir de dois aerofotogramas consecutivos da mesma. A fotogrametria é a ciência e tecnologia utilizada para obter informações confiáveis a partir de imagens adquiridas por sensores. O aperfeiçoamento do SITH consistirá na automatização da obtenção dos pontos através da técnica de Transformada de Características Invariantes a Escala (SIFT - Scale Invariant Feature Transform) dos pares de imagens estereoscópicas obtidos por câmeras aéreas métricas, e na utilização de técnicas de interpolação por splines cúbicos para suavização das superfícies tridimensionais obtidas pelo mesmo, proporcionando uma visualização mais clara dos detalhes da área estudada e auxiliando em prevenções contra deslizamentos em locais de risco a partir de um planejamento urbano adequado. Os resultados computacionais mostram que a incorporação destes métodos ao programa SITH apresentaram bons resultados.

一种测量光刻机工件台方镜不平度的新方法

提出一种新的步进扫描投影光刻机工件台方镜不平度测量方法。以方镜平移补偿量与旋转补偿量为测量目标,使用两个双频激光干涉仪分别测量工件台在x和y方向的位置和旋转量；将方镜不平度的测量按照一定的偏移量分成若干个序列,每一个序列包括对方镜有效区域的若干次往返测量；根据所有序列的测量结果计算出方镜的旋转补偿量；为每一个序列建立临时边界条件,并据此计算出每一序列所测得的方镜粗略平移补偿量；采用三次样条插值与最小二乘法建立每一个序列间的关系,以平滑连接所有测量序列得到精确的方镜平移补偿量。结果表明,该方法用于测量方镜平

Tendência temporal do índice de massa corporal em alistados do Brasil (1980-2005)

Apesar da crescente prevalência da obesidade em países desenvolvidos e em desenvolvimento, há pouca evidência da associação com fatores ambientais. Objetivos: Investigar a evolução temporal do IMC em jovens alistados do sexo masculino de 18 anos no Brasil entre 1980 e 2005; identificar pontos específicos de maior variância na série temporal e comparar pontos específicos no tempo, a evolução temporal do IMC com as mudanças socioeconômicas no Brasil. Métodos: O presente estudo explorou uma série temporal de 26 anos em homens brasileiros que se alistaram no período de 1980 a 2005. A amostra compreendeu cerca de 35-40% de todos os jovens brasileiros de 18 anos de idade. O peso corporal e a estatura foram obtidos no momento do exame médico durante o alistamento militar. Todas as mensurações antropométricas foram realizadas por pessoal especializado e treinado. As prevalências do sobrepeso e da obesidade foram calculadas com intervalos de confiança de 95%. Com a finalidade de testar a presença de heterocedasticidade na série do IMC, realizou-se o teste de Multiplicador de Lagrange (LM). Para os pontos no tempo, com oscilações acima da média do IMC, variáveis dummies foram testadas utilizando-se o modelo ARCH (Autoregressivo de Heterocedasticidade Condicionada), com um nível de significância de p <0,05. Para aqueles pontos no tempo com oscilações acima da média do IMC (anos de 1985, 1994 e 2000), variáveis dummy foram incluídos sob a hipótese foi de que a taxa de crescimento do IMC não fosse a mesma ao longo da série temporal. Para as possíveis explicações para os aumentos bruscos na curva do IMC, foram consideradas as alterações nos principais indicadores econômicos do Brasil (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística e Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada). Os fatores econômicos analisados foram: taxa de inflação anual, produção de alimentos, pobreza (%), o consumo de refrigerantes e o rendimento médio anual. Resultados: A prevalência de sobrepeso também passou de 4,5%, em 1980, para 12,5%, em 2005, um aumento de 2,6 vezes, enquanto a prevalência de obesidade aumentou de 0,5%, em 1980, para 1,9%, em 2005, um aumento de quase 300%, mas por comparação internacional estão abaixo da média. Particularmente em 1985-6 e 1994-5, houve um aumento acentuado e significativo do IMC. Em 1985-6, a média do IMC aumentou de 21,4 kg/m2 para 21,5 kg/m2 e, em 1994-5, a média do IMC médio aumentou de 21,7 kg/m2 para 21,9 kg/m2. Nesses dois pontos (1985-1986 e 1994-1995) ocorreram logo após duas grandes mudanças políticas econômicas que aumentaram o poder de compra da população. Em 1985-6, as mudanças foram principalmente relacionadas a fatores econômicos, tais como: a redução do nível de desigualdade social; aumento da renda familiar; redução da pobreza; o controle da inflação; aumento do tempo assistindo televisão e aumento do consumo de alimentos. Em 1994-5, além das mudanças no poder de compra, houve uma modificação na atividade física obrigatória nas escolas. Conclusão: O presente estudo mostrou um aumento abrupto da obesidade na população de homens jovens no Brasil em duas ocasiões durante esta série temporal (anos de 1985-6 e 1994-5), quando uma possível redução no gasto calórico e aumento do consumo de alimentos da população foram observados.

Análise de erros da equação de advecção unidimensional no Método de Volumes Finitos

Uma análise utilizando a série de Taylor é apresentada para se estimar a priori os erros envolvidos na solução numérica da equação de advecção unidimensional com termo fonte, através do Método dos Volumes Finitos em uma malha do tipo uniforme e uma malha não uniforme. Também faz-se um estudo a posteriori para verificar a magnitude do erro de discretização e corroborar os resultados obtidos através da análise a priori. Por meio da técnica de solução manufaturada tem-se uma solução analítica para o problema, a qual facilita a análise dos resultados numéricos encontrados, e estuda-se ainda a influência das funções de interpolação UDS e CDS e do parâmetro u na solução numérica.

用于机载激光测深系统的时间间隔测量模块

机载海洋激光测深系统不仅要求精确测量激光从海表的入射点到海底目标点之间的距离，还要精确测定飞机到海表入射，点之间的距离，为水深数据的海浪校正而确定平均海平面以及波高。为此设计和研制了一高精度时间间隔测量器，该单元基于专用时间数字转换芯片开发，采用延迟线插入法技术，双通道工作，具有高时间分辨率(最高可达250ps)和高测量重复率的特性。给出硬件和软件设计方法以及单元的测试结果。

星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元

高精度时间间隔测量单元(TIU)是星载激光测距仪的关键部件。基于现场可编程门阵列(FPGA)研制出了满足星载要求的高精度、高集成度时间间隔测量单元。该单元采用数字计数法结合数字延迟线插入法的技术,在0.5～10 km的测量距离范围内,时间分辨率为500 ps。通过地面检测,在全程范围内保持了良好的线性度,标准偏差小于270 ps。该单元同时具备测量脉冲回波宽度的能力,可以获取目标的脉冲展宽信息。由于单元选用的元器件都具有航天产品性能,因此其设计和技术指标可满足星载激光测距仪的应用。