Exploration of the parameter space in an agent-based model of tuberculosis spread: emergence of drug resistance in developing vs developed countries

In this work we present an agent-based model for the spread of tuberculosis where the individuals can be infected with either drug-susceptible or drug-resistant strains and can also receive a treatment. The dynamics of the model and the role of each one of the parameters are explained. The whole set of parameters is explored to check their importance in the numerical simulation results. The model captures the beneficial impact of the adequate treatment on the prevalence of tuberculosis. Nevertheless, depending on the treatment parameters range, it also captures the emergence of drug resistance. Drug resistance emergence is particularly likely to occur for parameter values corresponding to less efficacious treatment, as usually found in developing countries.

Origin of Anomalous Activities for Electrocatalysts in Alkaline Electrolytes

Pt extended surfaces and nanoparticle electrodes are used to understand the origin of anomalous activities for electrocatalytic reactions in alkaline electrolytes as a function of cycling/time. Scanning tunneling microscopy (STM) of the surfaces before and after cycling in alkaline electrolytes was used to understand the morphology of the impurities and their impact on the catalytic sites. The nature of the contaminant species is identified as 3d-transition metal cations, and the formation of hydr(oxy)oxides of these elements is established as the main reason for the observed behavior. We find that, while for the oxygen reduction reaction (ORR) and the hydrogen oxidation reaction (HOR) the blocking of the sites by the undesired 3d-transition metal hydr(oxy)oxide species leads to deactivation of the reaction activities, the CO oxidation reaction and the hydrogen evolution reaction (HER) can have beneficial effects from the same impurities, the latter being dependent on the exact nature of the adsorbing species. These results show the significance of impurities present in real electrolytes and their impact on electrocatalysis.

New Optimization Algorithms for Structural Reliability Analysis

Solution of structural reliability problems by the First Order method require optimization algorithms to find the smallest distance between a limit state function and the origin of standard Gaussian space. The Hassofer-Lind-Rackwitz-Fiessler (HLRF) algorithm, developed specifically for this purpose, has been shown to be efficient but not robust, as it fails to converge for a significant number of problems. On the other hand, recent developments in general (augmented Lagrangian) optimization techniques have not been tested in aplication to structural reliability problems. In the present article, three new optimization algorithms for structural reliability analysis are presented. One algorithm is based on the HLRF, but uses a new differentiable merit function with Wolfe conditions to select step length in linear search. It is shown in the article that, under certain assumptions, the proposed algorithm generates a sequence that converges to the local minimizer of the problem. Two new augmented Lagrangian methods are also presented, which use quadratic penalties to solve nonlinear problems with equality constraints. Performance and robustness of the new algorithms is compared to the classic augmented Lagrangian method, to HLRF and to the improved HLRF (iHLRF) algorithms, in the solution of 25 benchmark problems from the literature. The new proposed HLRF algorithm is shown to be more robust than HLRF or iHLRF, and as efficient as the iHLRF algorithm. The two augmented Lagrangian methods proposed herein are shown to be more robust and more efficient than the classical augmented Lagrangian method.

Developmental and Epigenetic Anomalies in Cloned Cattle

Many of the developmental anomalies observed in cloned animals are related to foetal and placental overgrowth, a phenomenon known as the 'large offspring syndrome' (LOS) in ruminants. It has been hypothesized that the epigenetic control of imprinted genes, that is, genes that are expressed in a parental-specific manner, is at the root of LOS. Our recent research has focused on understanding epigenetic alterations to imprinted genes that are associated with assisted reproductive technologies (ART), such as early embryo in vitro culture (IVC) and somatic cell nuclear transfer (SCNT) in cattle. We have sought and identified single nucleotide polymorphisms in Bos indicus DNA useful for the analysis of parental-specific alleles and their respective transcripts in tissues from hybrid embryos derived by crossing Bos indicus and Bos taurus cattle. By analysing differentially methylated regions (DMRs) of imprinted genes SNRPN, H19 and the IGF2R in cattle, we demonstrated that there is a generalized hypomethylation of the imprinted allele and the biallelic expression of embryos produced by SCNT when compared to the methylation patterns observed in vivo (artificially inseminated). Together, these results indicate that imprinting marks are erased during the reprogramming of the somatic cell nucleus during early development, indicating that such epigenetic anomalies may play a key role in mortality and morbidity of cloned animals.

Low cost ion implantation technique

We describe an approach to ion implantation in which the plasma and its electronics are held at ground potential and the ion beam is formed and injected energetically into a space held at high negative potential. The technique allows considerable savings both economically and technologically, rendering feasible ion implantation applications that might otherwise not be possible for many researchers and laboratories. Here, we describe the device and the results of tests demonstrating Nb implantation at 90 keV ion energy and dose about 2 x 10(16) cm(-2). (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4768699]

Parametric Analysis of Effective Material Properties of Thickness-Shear Piezoelectric Macro-Fibre Composites

A previous study on the characterization of effective material properties of a d(15) thickness-shear piezoelectric Macro-Fibre Composite (MFC) made of seven layers (Kapton, Acrylic, Electrode, Piezoceramic Fibre and Epoxy Composite, Electrode, Acrylic, Kapton) using a finite element homogenization method has shown that the packaging reduces significantly the shear stiffness of the piezoceramic material and, thus, leads to significantly smaller effective electromechanical coupling coefficient k(15) and piezoelectric stress constant e(15) when compared to the piezoceramic fibre properties. Therefore, the main objective of this work is to perform a parametric analysis in which the effect of the variations of fibre volume fraction, Epoxy elastic modulus, electrode thickness and active layer thickness on the MFC effective material properties is evaluated. Results indicate that an effective d(15) MFC should use relatively thick fibres having relatively high shear modulus and relatively stiff epoxy filler. On the other hand, the electrode thickness does not affect significantly the MFC performance.

Probabilistic Envelope Curves for Extreme Rainfall Events - Curve Inviluppo Probabilistiche per Precipitazioni Estreme

A regional envelope curve (REC) of flood flows summarises the current bound on our experience of extreme floods in a region. RECs are available for most regions of the world. Recent scientific papers introduced a probabilistic interpretation of these curves and formulated an empirical estimator of the recurrence interval T associated with a REC, which, in principle, enables us to use RECs for design purposes in ungauged basins. The main aim of this work is twofold. First, it extends the REC concept to extreme rainstorm events by introducing the Depth-Duration Envelope Curves (DDEC), which are defined as the regional upper bound on all the record rainfall depths at present for various rainfall duration. Second, it adapts the probabilistic interpretation proposed for RECs to DDECs and it assesses the suitability of these curves for estimating the T-year rainfall event associated with a given duration and large T values. Probabilistic DDECs are complementary to regional frequency analysis of rainstorms and their utilization in combination with a suitable rainfall-runoff model can provide useful indications on the magnitude of extreme floods for gauged and ungauged basins. The study focuses on two different national datasets, the peak over threshold (POT) series of rainfall depths with duration 30 min., 1, 3, 9 and 24 hrs. obtained for 700 Austrian raingauges and the Annual Maximum Series (AMS) of rainfall depths with duration spanning from 5 min. to 24 hrs. collected at 220 raingauges located in northern-central Italy. The estimation of the recurrence interval of DDEC requires the quantification of the equivalent number of independent data which, in turn, is a function of the cross-correlation among sequences. While the quantification and modelling of intersite dependence is a straightforward task for AMS series, it may be cumbersome for POT series. This paper proposes a possible approach to address this problem.

Caratterizzazione meccanica di calcestruzzi fibrorinforzati con fibre d'acciaio

L’utilizzo di materiali compositi come i calcestruzzi fibrorinforzati sta diventando sempre più frequente e diffuso. Tuttavia la scelta di nuovi materiali richiede una approfondita analisi delle loro caratteristiche e dei loro comportamenti. I vantaggi forniti dall’aggiunta di fibre d’acciaio ad un materiale fragile, quale il calcestruzzo, sono legati al miglioramento della duttilità e all'aumento di assorbimento di energia. L’aggiunta di fibre permette quindi di migliorare il comportamento strutturale del composito, dando vita ad un nuovo materiale capace di lavorare non solo a compressione ma anche in piccola parte a trazione, ma soprattutto caratterizzato da una discreta duttilità ed una buona capacità plastica. Questa tesi ha avuto come fine l’analisi delle caratteristiche di questi compositi cementizi fibrorinforzati. Partendo da prove sperimentali classiche quali prove di trazione e compressione, si è arrivati alla caratterizzazione di questi materiali avvalendosi di una campagna sperimentale basata sull’applicazione della norma UNI 11039/2003. L’obiettivo principale di questo lavoro consiste nell’analizzare e nel confrontare calcestruzzi rinforzati con fibre di due diverse lunghezze e in diversi dosaggi. Studiando questi calcestruzzi si è cercato di comprendere meglio questi materiali e trovare un riscontro pratico ai comportamenti descritti in teorie ormai diffuse e consolidate. La comparazione dei risultati dei test condotti ha permesso di mettere in luce differenze tra i materiali rinforzati con l’aggiunta di fibre corte rispetto a quelli con fibre lunghe, ma ha anche permesso di mostrare e sottolineare le analogie che caratterizzano questi materiali fibrorinforzati. Sono stati affrontati inoltre gli aspetti legati alle fasi della costituzione di questi materiali sia da un punto di vista teorico sia da un punto di vista pratico. Infine è stato sviluppato un modello analitico basato sulla definizione di specifici diagrammi tensione-deformazione; i risultati di questo modello sono quindi stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti in laboratorio.

Procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati

La presente tesi riguarda lo studio di procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati. In particolare, i sistemi studiati sono strutture shear-type soggette ad azioni di tipo sismico impresse alla base. Per effettuare l’ottimizzazione dei sistemi in oggetto si agisce sulle rigidezze di piano e sui coefficienti di smorzamento effettuando una ridistribuzione delle quantità suddette nei piani della struttura. È interessante effettuare l’ottimizzazione di sistemi smorzati nell’ottica della progettazione antisismica, in modo da ridurre la deformata della struttura e, conseguentemente, anche le sollecitazioni che agiscono su di essa. Il lavoro consta di sei capitoli nei quali vengono affrontate tre procedure numerico-analitiche per effettuare l’ottimizzazione di sistemi shear-type. Nel primo capitolo si studia l’ottimizzazione di sistemi shear-type agendo su funzioni di trasferimento opportunamente vincolate. In particolare, le variabili di progetto sono le rigidezze di piano, mentre i coefficienti di smorzamento e le masse di piano risultano quantità note e costanti durante tutto il procedimento di calcolo iterativo; per effettuare il controllo dinamico della struttura si cerca di ottenere una deformata pressoché rettilinea. Tale condizione viene raggiunta ponendo le ampiezze delle funzioni di trasferimento degli spostamenti di interpiano pari all’ampiezza della funzione di trasferimento del primo piano. Al termine della procedura si ottiene una ridistribuzione della rigidezza complessiva nei vari piani della struttura. In particolare, si evince un aumento della rigidezza nei piani più bassi che risultano essere quelli più sollecitati da una azione impressa alla base e, conseguentemente, si assiste ad una progressiva riduzione della variabile di progetto nei piani più alti. L’applicazione numerica di tale procedura viene effettuata nel secondo capitolo mediante l’ausilio di un programma di calcolo in linguaggio Matlab. In particolare, si effettua lo studio di sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. La seconda procedura numerico-analitica viene presentata nel terzo capitolo. Essa riguarda l’ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento e consta di due fasi. La prima fase ricerca il progetto ottimale della struttura per uno specifico valore della rigidezza complessiva e dello smorzamento totale, mentre la seconda fase esamina una serie di progetti ottimali in funzione di diversi valori della rigidezza e dello smorzamento totale. Nella prima fase, per ottenere il controllo dinamico della struttura, viene minimizzata la somma degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano. Le variabili di progetto, aggiornate dopo ogni iterazione, sono le rigidezze di piano ed i coefficienti di smorzamento. Si pone, inoltre, un vincolo sulla quantità totale di rigidezza e di smorzamento, e i valori delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento di ogni piano non devono superare un limite superiore posto all’inizio della procedura. Anche in questo caso viene effettuata una ridistribuzione delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento nei vari piani della struttura fino ad ottenere la minimizzazione della funzione obiettivo. La prima fase riduce la deformata della struttura minimizzando la somma degli scarti quadrarici medi degli spostamenti di interpiano, ma comporta un aumento dello scarto quadratico medio dell’accelerazione assoluta dell’ultimo piano. Per mantenere quest’ultima quantità entro limiti accettabili, si passa alla seconda fase in cui si effettua una riduzione dell’accelerazione attraverso l’aumento della quantità totale di smorzamento. La procedura di ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento viene applicata numericamente, mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab, nel capitolo quattro. La procedura viene applicata a sistemi a due e a cinque gradi di libertà. L’ultima parte della tesi ha come oggetto la generalizzazione della procedura che viene applicata per un sistema dotato di isolatori alla base. Tale parte della tesi è riportata nel quinto capitolo. Per isolamento sismico di un edificio (sistema di controllo passivo) si intende l’inserimento tra la struttura e le sue fondazioni di opportuni dispositivi molto flessibili orizzontalmente, anche se rigidi in direzione verticale. Tali dispositivi consentono di ridurre la trasmissione del moto del suolo alla struttura in elevazione disaccoppiando il moto della sovrastruttura da quello del terreno. L’inserimento degli isolatori consente di ottenere un aumento del periodo proprio di vibrare della struttura per allontanarlo dalla zona dello spettro di risposta con maggiori accelerazioni. La principale peculiarità dell’isolamento alla base è la possibilità di eliminare completamente, o quantomeno ridurre sensibilmente, i danni a tutte le parti strutturali e non strutturali degli edifici. Quest’ultimo aspetto è importantissimo per gli edifici che devono rimanere operativi dopo un violento terremoto, quali ospedali e i centri operativi per la gestione delle emergenze. Nelle strutture isolate si osserva una sostanziale riduzione degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni relative. La procedura di ottimizzazione viene modificata considerando l’introduzione di isolatori alla base di tipo LRB. Essi sono costituiti da strati in elastomero (aventi la funzione di dissipare, disaccoppiare il moto e mantenere spostamenti accettabili) alternati a lamine in acciaio (aventi la funzione di mantenere una buona resistenza allo schiacciamento) che ne rendono trascurabile la deformabilità in direzione verticale. Gli strati in elastomero manifestano una bassa rigidezza nei confronti degli spostamenti orizzontali. La procedura di ottimizzazione viene applicata ad un telaio shear-type ad N gradi di libertà con smorzatori viscosi aggiunti. Con l’introduzione dell’isolatore alla base si passa da un sistema ad N gradi di libertà ad un sistema a N+1 gradi di libertà, in quanto l’isolatore viene modellato alla stregua di un piano della struttura considerando una rigidezza e uno smorzamento equivalente dell’isolatore. Nel caso di sistema sheat-type isolato alla base, poiché l’isolatore agisce sia sugli spostamenti di interpiano, sia sulle accelerazioni trasmesse alla struttura, si considera una nuova funzione obiettivo che minimizza la somma incrementata degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni. Le quantità di progetto sono i coefficienti di smorzamento e le rigidezze di piano della sovrastruttura. Al termine della procedura si otterrà una nuova ridistribuzione delle variabili di progetto nei piani della struttura. In tal caso, però, la sovrastruttura risulterà molto meno sollecitata in quanto tutte le deformazioni vengono assorbite dal sistema di isolamento. Infine, viene effettuato un controllo sull’entità dello spostamento alla base dell’isolatore perché potrebbe raggiungere valori troppo elevati. Infatti, la normativa indica come valore limite dello spostamento alla base 25cm; valori più elevati dello spostamento creano dei problemi soprattutto per la realizzazione di adeguati giunti sismici. La procedura di ottimizzazione di sistemi isolati alla base viene applicata numericamente mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab nel sesto capitolo. La procedura viene applicata a sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. Inoltre si effettua il controllo degli spostamenti alla base sollecitando la struttura con il sisma di El Centro e il sisma di Northridge. I risultati hanno mostrato che la procedura di calcolo è efficace e inoltre gli spostamenti alla base sono contenuti entro il limite posto dalla normativa. Giova rilevare che il sistema di isolamento riduce sensibilmente le grandezze che interessano la sovrastruttura, la quale si comporta come un corpo rigido al di sopra dell’isolatore. In futuro si potrà studiare il comportamento di strutture isolate considerando diverse tipologie di isolatori alla base e non solo dispositivi elastomerici. Si potrà, inoltre, modellare l’isolatore alla base con un modello isteretico bilineare ed effettuare un confronto con i risultati già ottenuti per il modello lineare.

Be analysis of bottom sediments in dynamic fluid-structure interaction problems

[EN] Sediment materials play an important role on the dynamic response of large structures where fluid-soil-structure interaction is relevant and materials of that kind are present. Dam-reservoir systems and harbor structures are examples of civil engineering constructions where those effects are significant.

Hybrid foundations for offshore wind turbines

Nowadays offshore wind turbines represents a valid answer for energy production but with an increasing in costs mainly due to foundation technology required. Hybrid foundations composed by suction caissons over which is welded a tower supporting the nacelle and the blades allows a strong costs reduction. Here a monopod configuration is studied in a sandy soil in a 10 m water depth. Bearing capacity, sliding resistance and pull-out resistance are evaluated. In a second part the installation process occurring in four steps is analysed. considering also the effect of stress enhancement due to frictional forces opposing to penetration growing at skirt sides both inside and outside. In a three dimensional finite element model using Straus7 the soil non-linearity is considered in an approximate way through an iterative procedure using the Yokota empirical decay curves.

Centrifuge modeling of earth-reinforced retaining walls

Object of this thesis has been centrifuge modelling of earth reinforced retaining walls with modular blocks facing in order to investigate on the influence of design parameters, such as length and vertical spacing of reinforcement, on the behaviour of the structure. In order to demonstrate, 11 models were tested, each one with different length of reinforcement or spacing. Each model was constructed and then placed in the centrifuge in order to artificially raise gravitational acceleration up to 35 g, reproducing the soil behaviour of a 5 metre high wall. Vertical and horizontal displacements were recorded by means of a special device which enabled tracking of deformations in the structure along its longitudinal cross section, essentially drawing its deformed shape. As expected, results confirmed reinforcement parameters to be the governing factor in the behaviour of earth reinforced structures since increase in length and spacing improved structural stability. However, the influence of the length was found out to be the leading parameter, reducing facial deformations up to five times, and the spacing playing an important role especially in unstable configurations. When failure occurred, failure surface was characterised by the same shape (circular) and depth, regardless of the reinforcement configuration. Furthermore, results confirmed the over-conservatism of codes, since models with reinforcement layers 0.4H long showed almost negligible deformations. Although the experiments performed were consistent and yielded replicable results, further numerical modelling may allow investigation on other issues, such as the influence of the reinforcement stiffness, facing stiffness and varying backfills.

Analisi critica di modelli previsionali per le frane in Emilia Romagna

Questa tesi di dottorato è inserita nell’ambito della convenzione tra ARPA_SIMC (che è l’Ente finanziatore), l’Agenzia Regionale di Protezione Civile ed il Dipartimento di Scienze della Terra e Geologico - Ambientali dell’Ateneo di Bologna. L’obiettivo principale è la determinazione di possibili soglie pluviometriche di innesco per i fenomeni franosi in Emilia Romagna che possano essere utilizzate come strumento di supporto previsionale in sala operativa di Protezione Civile. In un contesto geologico così complesso, un approccio empirico tradizionale non è sufficiente per discriminare in modo univoco tra eventi meteo innescanti e non, ed in generale la distribuzione dei dati appare troppo dispersa per poter tracciare una soglia statisticamente significativa. È stato quindi deciso di applicare il rigoroso approccio statistico Bayesiano, innovativo poiché calcola la probabilità di frana dato un certo evento di pioggia (P(A|B)) , considerando non solo le precipitazioni innescanti frane (quindi la probabilità condizionata di avere un certo evento di precipitazione data l’occorrenza di frana, P(B|A)), ma anche le precipitazioni non innescanti (quindi la probabilità a priori di un evento di pioggia, P(A)). L’approccio Bayesiano è stato applicato all’intervallo temporale compreso tra il 1939 ed il 2009. Le isolinee di probabilità ottenute minimizzano i falsi allarmi e sono facilmente implementabili in un sistema di allertamento regionale, ma possono presentare limiti previsionali per fenomeni non rappresentati nel dataset storico o che avvengono in condizioni anomale. Ne sono esempio le frane superficiali con evoluzione in debris flows, estremamente rare negli ultimi 70 anni, ma con frequenza recentemente in aumento. Si è cercato di affrontare questo problema testando la variabilità previsionale di alcuni modelli fisicamente basati appositamente sviluppati a questo scopo, tra cui X – SLIP (Montrasio et al., 1998), SHALSTAB (SHALlow STABility model, Montgomery & Dietrich, 1994), Iverson (2000), TRIGRS 1.0 (Baum et al., 2002), TRIGRS 2.0 (Baum et al., 2008).

Mechanical analysis and modeling of structural archetypes

This is a research B for the University of Bologna. The course is the civil engineering LAUREA MAGISTRALE at UNIBO. The main purpose of this research is to promote another way of explaining, analyzing and presenting some civil engineering aspects to the students worldwide by theory, modeling and photos. The basic idea is divided into three steps. The first one is to present and analyze the theoretical parts. So a detailed analysis of the theory combined with theorems, explanations, examples and exercises will cover this step. At the second, a model will make clear all these parts that were discussed in the theory by showing how the structures work or fail. The modeling is able to present the behavior of many elements, in scale which we use in the real structures. After these two steps an interesting exhibition of photos from the real world with comments will give the chance to the engineers to observe all these theoretical and modeling-laboratory staff in many different cases. For example many civil engineers in the world may know about the air pressure on the structures but many of them have never seen the extraordinary behavior of the bridge of Tacoma ‘dancing with the air’. At this point I would like to say that what I have done is not a book, but a research of how this ‘3 step’ presentation or explanation of some mechanical characteristics could be helpful. I know that my research is something different and new and in my opinion is very important because it helps students to go deeper in the science and also gives new ideas and inspirations. This way of teaching can be used at all lessons especially at the technical. Hope that one day all the books will adopt this kind of presentation.

Application of Submerged Grouted Anchors in Sheet Pile Quay Walls

Sheet pile walls are one of the oldest earth retention systems utilized in civil engineering projects. They are used for various purposes; such as excavation support system, cofferdams, cut-off walls under dams, slope stabilization, waterfront structures, and flood walls. Sheet pile walls are one of the most common types of quay walls used in port construction. The worldwide increases in utilization of large ships for transportation have created an urgent need of deepening the seabed within port areas and consequently the rehabilitation of its wharfs. Several methods can be used to increase the load-carrying capacity of sheet-piling walls. The use of additional anchored tie rods grouted into the backfill soil and arranged along the exposed wall height is one of the most practical and appropriate solutions adopted for stabilization and rehabilitation of the existing quay wall. The Ravenna Port Authority initiated a project to deepen the harbor bottom at selected wharves. An extensive parametric study through the finite element program, PLAXIS 2D, version 2012 was carried out to investigate the enhancement of using submerged grouted anchors technique on the load response of sheet-piling quay wall. The influence of grout-ties area, length of grouted body, anchor inclination and anchor location were considered and evaluated due to the effect of different system parameters. Also a comparative study was conducted by Plaxis 2D and 3D program to investigate the behavior of these sheet pile quay walls in terms of horizontal displacements induced along the sheet pile wall and ground surface settlements as well as the anchor force and calculated factor of safety. Finally, a comprehensive study was carried out by using different constitutive models to simulate the mechanical behavior of the soil to investigate the effect of these two models (Mohr-Coulomb and Hardening Soil) on the behavior of these sheet pile quay walls.