A simple method to simulate shrinkage-induced cracking in cement-based composites by lattice-type modeling

A new numerical procedure is proposed to investigate cracking behaviors induced by mismatch between the matrix phase and aggregates due to matrix shrinkage in cement-based composites. This kind of failure processes is simplified in this investigation as a purely spontaneous mechanical problem, therefore, one main difficulty during simulating the phenomenon lies that no explicit external load serves as the drive to propel development of this physical process. As a result, it is different from classical mechanical problems and seems hard to be solved by using directly the classical finite element method (FEM), a typical kind of "load -> medium -> response" procedures. As a solution, the actual mismatch deformation field is decomposed into two virtual fields, both of which can be obtained by the classical FEM. Then the actual response is obtained by adding together the two virtual displacement fields based on the principle of superposition. Then, critical elements are detected successively by the event-by-event technique. The micro-structure of composites is implemented by employing the generalized beam (GB) lattice model. Numerical examples are given to show the effectiveness of the method, and detailed discussions are conducted on influences of material properties.

Influences of Structural Damping and Buoyancy-Weight Ratio on Dynamic Responses of Submerged Floating Tunnel

The recent progress of submerged floating tunnel (SFT) investigation and SFT prototype (SFTP) project in Qiandao Lake (Zhejiang Province, P.R. China) is the background of this research. Structural damping effect is brought into present computation model in terms of Rayleigh damping. Based on the FEM computational results of SFTPs as a function of buoyancy-weight ratio (BWR) under hydrodynamic loads, the effect of BWR on the dynamic response of SFT is illustrated. In addition, human comfort index is adopted to discuss the comfort status of the SFTP.

On a novel method of impact by a front-end-coated bullet to evaluate the interface adhesion between film and substrate

A preliminary experiment was carried out to validate the feasibility of the method of impact by a front-end-coated bullet to evaluate the interface adhesion between film and substrate. The theoretical description of the initiation, propagation and evolution of the stress pulse during impact was generalized and formulized. The effects of the crucial parameters on the interface stress were further investigated with FEM. The results found the promising prospect of the application of such a method and provided useful guidance for experimental design.

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.

Análise de guias de ondas pelos métodos vetorial magnético e dos elementos-finitos

Neste trabalho, é apresentada uma formulação apropriada à análise de guias de ondas eletromagnéticos, cobrindo do espectro de microondas até o da óptica. Nas regiões a partir do ultravioleta, os comprimentos de onda são equivalentes às dimensões atômicas e a formulação necessita de uma abordagem quântica, que não é considerada neste estudo. A formulação é fundamentada nos métodos vetorial magnético e dos elementos finitos (MEF), em meios não homogêneos, anisotrópicos e não dissipativos, embora a dissipação possa ser facilmente introduzida na análise. Deu-se preferência à formulação com o campo magnético em vez do elétrico, pelo fato do campo magnético ignorar descontinuidades elétricas. Ele é contínuo em regiões de permeabilidade homogênea, propriedade dos meios dielétricos em geral ( = 0), independente da permissividade dos respectivos meios, conquanto os campos elétricos sejam descontínuos entre regiões de permissividades diferentes.

Multilayer Active Shell Mirrors

This thesis presents a novel active mirror technology based on carbon fiber composites and replication manufacturing processes. Multiple additional layers are implemented into the structure in order to provide the reflective layer, actuation capabilities and electrode routing. The mirror is thin, lightweight, and has large actuation capabilities. These features, along with the associated manufacturing processes, represent a significant change in design compared to traditional optics. Structural redundancy in the form of added material or support structures is replaced by thin, unsupported lightweight substrates with large actuation capabilities.

Several studies motivated by the desire to improve as-manufactured figure quality are performed. Firstly, imperfections in thin CFRP laminates and their effect on post-cure shape errors are studied. Numerical models are developed and compared to experimental measurements on flat laminates. Techniques to mitigate figure errors for thicker laminates are also identified. A method of properly integrating the reflective facesheet onto the front surface of the CFRP substrate is also presented. Finally, the effect of bonding multiple initially flat active plates to the backside of a curved CFRP substrate is studied. Figure deformations along with local surface defects are predicted and characterized experimentally. By understanding the mechanics behind these processes, significant improvements to the overall figure quality have been made.

Studies related to the actuation response of the mirror are also performed. The active properties of two materials are characterized and compared. Optimal active layer thicknesses for thin surface-parallel schemes are determined. Finite element simulations are used to make predictions on shape correction capabilities, demonstrating high correctabiliity and stroke over low-order modes. The effect of actuator saturation is studied and shown to significantly degrade shape correction performance.

The initial figure as well as actuation capabilities of a fully-integrated active mirror prototype are characterized experimentally using a Projected Hartmann test. A description of the test apparatus is presented along with two verification measurements. The apparatus is shown to accurately capture both high-amplitude low spatial-frequency figure errors as well as those at lower amplitudes but higher spatial frequencies. A closed-loop figure correction is performed, reducing figure errors by 94%.

基于光学对准的光刻机投影物镜密集线焦深原位检测技术

提出了一种检测光刻机投影物镜密集线焦深（DOF）的新技术。该技术将具有精细结构的测量标记曝光在硅片上，硅片显影后，由光学对准系统获取曝光在硅片上的测量标记图形的对准位置信息，根据对准位置信息计算得到视场中各点的焦深。与传统的FEM焦深测试技术相比，该技术具有测量精度高、速度快、成本低、操作简单等优点，在光刻工艺参数优化及光刻设备性能评价等方面有很好的应用前景。

Modelagem do comportamento estrutural estático e dinâmico de lajes nervuradas de concreto armado.

Diversos pesquisadores têm estudado o comportamento e o emprego de lajes nervuradas de concreto armado em sistemas estruturais na engenharia civil que demonstrem viabilidade sob o ponto de vista técnico e econômico. Por esta razão, inúmeros trabalhos têm sido publicados nos últimos anos respaldados por testes experimentais e análises numéricas. Neste contexto, diversos tipos de sistemas estruturais de lajes nervuradas têm sido desenvolvidos. Assim sendo, o objetivo desta investigação é o de contribuir, no que tange ao estudo do comportamento estrutural estático e dinâmico de lajes nervuradas de concreto armado, tendo em mente o emprego destas em sistemas estruturais na engenharia civil. Este trabalho de pesquisa objetiva também o estudo da resposta dinâmica de lajes nervuradas de concreto armado, sob o ponto de vista de conforto humano, especialmente quando essas estruturas encontram-se submetidas a atividades humanas rítmicas. A definição das ações dinâmicas atuantes sobre os modelos estruturais foi feita com base em resultados experimentais, que consideram grupos de indivíduos desenvolvendo atividades rítmicas correspondentes à ginástica aeróbica (atividade sincronizada). São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa de elementos finitos ANSYS. No presente modelo computacional, as vigas de bordo, nervuras e a laje de concreto armado são simuladas por elementos finitos de casca. Os resultados obtidos ao longo do estudo, em termos das acelerações de pico, são confrontados e comparados com os limites propostos por normas de projeto, sob o ponto de vista do conforto humano. Com base na análise dinâmica das lajes nervuradas investigadas foi possível verificar que as atividades humanas rítmicas podem vir a gerar valores de acelerações de pico elevados e que violam os critérios de conforto humano. Deste modo, foi observado que, as acelerações nos modelos estudados, podem atingir níveis elevados de vibração que comprometem o conforto dos usuários.

Análise numérica de escorregamento em encostas

O perfeito entendimento de deslizamentos de terra tem sido objeto de grande interesse na engenharia geotécnica há muitos anos. Encostas naturais representam um desafio constante para os engenheiros, mais do que os taludes artificiais. Não é incomum que os escorregamentos causam perdas de vidas humanas e também danos materiais. As informações obtidas a partir de retro-análise de casos históricos, têm servido como uma ferramenta valiosa para a compreensão da estabilidade de taludes. Vale a pena notar que o primeiro método de cálculo de estabilidade de taludes, usando divisão de fatia, foi desenvolvido após um acidente na Noruega. Métodos de estabilidade por Equilíbrio Limite, desenvolvidos no século passado são atualmente utilizados na prática da engenharia. Apesar de suas deficiências, eles provaram ser confiáveis na determinação do Fator de Segurança. A geometria 2D e a abordagem completa da condição saturada são provavelmente as questões mais relevantes dos métodos atuais. A condição do solo não saturado está geralmente presente em taludes naturais e os métodos ignoram a influência da sucção do solo sobre a estabilidade do talude. O desenvolvimento de computadores no meio do século passado, tornaram os cálculos Equilíbrio Limite fáceis de serem executados. Por outro lado, eles não podem explicar a natureza do problema ou prever o comportamento do solo antes da ruptura. A década de 1960 marcou o início do desenvolvimento de programas de computador baseados em métodos numéricos que, entre outros, destaca-se, em geotecnia, a aplicação dos métodos de Elementos Finitos (FEM). Este método é ideal para muitos fins, uma vez que permite a simulação da sequência de construção e também a incorporação de diferentes modelos constitutivos. Este trabalho mostra a influência da sucção sobre a estabilidade de encostas naturais. Uma retroanálise de um escorregamento no Morro dos Cabritos, no Rio de Janeiro, foi feita através de um programa de análise de tensão (Plaxis 2D). Os resultados foram comparados com o FS obtido por programa de Equilíbrio Limite (Slide v5). O efeito de sucção do solo foi incorporada nas análises, através de sua influência sobre os parâmetros de resistência do solo e por diferentes possibilidades de infiltração de água na encosta. Este caso histórico foi estudado anteriormente por Gerscovich (1994), que na época, fez analise de fluxo e estabilidade utilizando um abordagem de Equilíbrio Limite 3D. Os resultados mostraram boa concordância entre a análise de Elementos Finitos e a simulação de Equilíbrio Limite, sem a presença de nível de água. Os resultados confirmaram que foi necessário haver pressões positivas para explicar a ruptura do talude.

Análise numérica do comportamento de juntas entre aduelas de vigas protendidas.

Diversos pesquisadores têm estudado o comportamento e o emprego de aduelas de concreto, que constituem as vigas segmentadas em sistemas estruturais, de maneira especial pontes e viadutos. Por esta razão, inúmeros trabalhos têm sido publicados nos últimos anos respaldados por testes experimentais e análises numéricas. O comportamento destas vigas contrasta com as clássicas vigas monolíticas em diversos aspectos, pois, a estrutura é composta de partes de elementos de concreto pré-moldado que, após serem posicionados no local definitivo, são protendidos. A protensão pode ser aderente ou não aderente. A principal vantagem deste sistema de construção é a rapidez e o alto controle de qualidade, por isso é largamente utilizado, havendo uma demanda de estudo de previsão do seu real comportamento No presente trabalho apresenta-se uma modelagem numérica via elementos finitos, para simular o comportamento de vigas compostas por aduelas justapostas sem material ligante entre as juntas. A protensão aplicada é aderente e a análise considera a não linearidade da região da junta. Assim sendo, o objetivo desta investigação é dar uma contribuição ao estudo do comportamento estrutural estático de vigas segmentadas, atentando para o comportamento das juntas, utilizando um programa comercial. Para o modelo são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa de elementos finitos SAP2000[93]. O modelo proposto é constituído de elementos de placa próprios para concreto para representar a viga, a protensão é introduzida por meio de barras bidimensionais que transferem as tensões ao longo de seu comprimento e as juntas são implementadas utilizando elementos de contato. A analise é bidimensional e considera os efeitos das perdas de protensão. Este trabalho de pesquisa objetiva também o estudo de elementos de contato especialmente as características de deformação para esta ferramenta computacional. A definição dos parâmetros para o modelo foi feita com base em dados experimentais disponíveis na literatura. O modelo numérico foi calibrado e confrontado com resultados experimentais obtidos em ensaios de laboratório.

Influence of Humidity on Fiber Bragg Grating Sensors

We demonstrate the influence of the relative humidity (RH) on the wavelength of fiber Bragg grating sensors (FBGS), performing tests with five FBGS at different humidity and temperature conditions. These tests were performed in a climate chamber whose RH changes according to a scheduled profile from 30% to 90%, in steps of 10%. These profiles were repeated for a wide range of temperatures from 10 degrees C to 70 degrees C, in steps of 10 degrees C. Two different types of instrumentation methods have been tested, spot welding and epoxy bonding, in two different materials, steel and carbon fiber reinforced polymer (CFRP). We discuss the results for each type of sensor and instrumentation method by analyzing the linearity of the Bragg wavelength with RH and temperature.

hp-Adaptive simulation and inversion of magnetotelluric measurements

xlix, 121 p.

Identificação de danos estruturais via método de Monte Carlo com cadeias de Markov

O presente trabalho apresenta um estudo referente à aplicação da abordagem Bayesiana como técnica de solução do problema inverso de identificação de danos estruturais, onde a integridade da estrutura é continuamente descrita por um parâmetro estrutural denominado parâmetro de coesão. A estrutura escolhida para análise é uma viga simplesmente apoiada do tipo Euler-Bernoulli. A identificação de danos é baseada em alterações na resposta impulsiva da estrutura, provocadas pela presença dos mesmos. O problema direto é resolvido através do Método de Elementos Finitos (MEF), que, por sua vez, é parametrizado pelo parâmetro de coesão da estrutura. O problema de identificação de danos é formulado como um problema inverso, cuja solução, do ponto de vista Bayesiano, é uma distribuição de probabilidade a posteriori para cada parâmetro de coesão da estrutura, obtida utilizando-se a metodologia de amostragem de Monte Carlo com Cadeia de Markov. As incertezas inerentes aos dados medidos serão contempladas na função de verossimilhança. Três estratégias de solução são apresentadas. Na Estratégia 1, os parâmetros de coesão da estrutura são amostrados de funções densidade de probabilidade a posteriori que possuem o mesmo desvio padrão. Na Estratégia 2, após uma análise prévia do processo de identificação de danos, determina-se regiões da viga potencialmente danificadas e os parâmetros de coesão associados à essas regiões são amostrados a partir de funções de densidade de probabilidade a posteriori que possuem desvios diferenciados. Na Estratégia 3, após uma análise prévia do processo de identificação de danos, apenas os parâmetros associados às regiões identificadas como potencialmente danificadas são atualizados. Um conjunto de resultados numéricos é apresentado levando-se em consideração diferentes níveis de ruído para as três estratégias de solução apresentadas.

Identificação de danos estruturais utilizando dados no domínio do tempo provenientes de ensaios de vibração

O presente trabalho aborda o problema de identificação de danos em uma estrutura a partir de sua resposta impulsiva. No modelo adotado, a integridade estrutural é continuamente descrita por um parâmetro de coesão. Sendo assim, o Modelo de Elementos Finitos (MEF) é utilizado para discretizar tanto o campo de deslocamentos, quanto o campo de coesão. O problema de identificação de danos é, então, definido como um problema de otimização, cujo objetivo é minimizar, em relação a um vetor de parâmetros nodais de coesão, um funcional definido a partir da diferença entre a resposta impulsiva experimental e a correspondente resposta prevista por um MEF da estrutura. A identificação de danos estruturais baseadas no domínio do tempo apresenta como vantagens a aplicabilidade em sistemas lineares e/ou com elevados níveis de amortecimento, além de apresentar uma elevada sensibilidade à presença de pequenos danos. Estudos numéricos foram realizados considerando-se um modelo de viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada. Para a determinação do posicionamento ótimo do sensor de deslocamento e do número de pontos da resposta impulsiva, a serem utilizados no processo de identificação de danos, foi considerado o Projeto Ótimo de Experimentos. A posição do sensor e o número de pontos foram determinados segundo o critério D-ótimo. Outros critérios complementares foram também analisados. Uma análise da sensibilidade foi realizada com o intuito de identificar as regiões da estrutura onde a resposta é mais sensível à presença de um dano em um estágio inicial. Para a resolução do problema inverso de identificação de danos foram considerados os métodos de otimização Evolução Diferencial e Levenberg-Marquardt. Simulações numéricas, considerando-se dados corrompidos com ruído aditivo, foram realizadas com o intuito de avaliar a potencialidade da metodologia de identificação de danos, assim como a influência da posição do sensor e do número de dados considerados no processo de identificação. Com os resultados obtidos, percebe-se que o Projeto Ótimo de Experimentos é de fundamental importância para a identificação de danos.

Identificação de danos estruturais a partir do modelo de superfície de resposta

A identificação de danos estruturais é uma questão de fundamental importância na engenharia, visto que uma estrutura está sujeita a processos de deterioração e a ocorrência de danos durante a sua vida útil. A presença de danos compromete o desempenho e a integridade estrutural, podendo colocar vidas humanas em risco e resultam em perdas econômicas consideráveis. Técnicas de identificação de danos estruturais e monitoramento de estruturas fundamentadas no ajuste de um Modelo de Elementos Finitos (MEF) são constantes na literatura especializada. No entanto, a obtenção de um problema geralmente mal posto e o elevado custo computacional, inerente a essas técnicas, limitam ou até mesmo inviabilizam a sua aplicabilidade em estruturas que demandam um modelo de ordem elevada. Para contornar essas dificuldades, na formulação do problema de identificação de danos, pode-se utilizar o Modelo de Superfície de Reposta (MSR) em substituição a um MEF da estrutura. No presente trabalho, a identificação de danos estruturais considera o ajuste de um MSR da estrutura, objetivando-se a minimização de uma função de erro definida a partir das frequências naturais experimentais e das correspondentes frequências previstas pelo MSR. Estuda-se o problema de identificação de danos estruturais em uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, considerando as frequências naturais na formulação do problema inverso. O comportamento de uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada na presença de danos é analisado, com intuito de se verificar as regiões onde a identificação dos mesmos pode apresentar maior dificuldade. No processo de identificação de danos, do presente trabalho, são avaliados os tipos de superfícies de resposta, após uma escolha apropriada do tipo de superfície de resposta a ser utilizado, determina-se a superfície de resposta considerando os dados experimentais selecionados a partir do projeto ótimo de experimentos. A utilização do método Evolução Diferencial (ED) no problema inverso de identificação de danos é considerado inerente aos resultados numéricos obtidos, a estratégia adotada mostrou-se capaz de localizar e quantificar os danos com elevada acurácia, mostrando a potencialidade do modelo de identificação de danos proposto.