Structural damage detection in an aeronautical panel using analysis of variance

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dinâmica não linear e controle de um sistema vibratório modelado com memória de forma e, excitado por fontes de energia do tipo ideal e não ideal

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEB

Analysis Methodology for Vortex-Induced Motion (VIM) of a Monocolumn Platform Applying the Hilbert-Huang Transform Method

Vortex-induced motion (VIM) is a highly nonlinear dynamic phenomenon. Usual spectral analysis methods, using the Fourier transform, rely on the hypotheses of linear and stationary dynamics. A method to treat nonstationary signals that emerge from nonlinear systems is denoted Hilbert-Huang transform (HHT) method. The development of an analysis methodology to study the VIM of a monocolumn production, storage, and offloading system using HHT is presented. The purposes of the present methodology are to improve the statistics analysis of VIM. The results showed to be comparable to results obtained from a traditional analysis (mean of the 10% highest peaks) particularly for the motions in the transverse direction, although the difference between the results from the traditional analysis for the motions in the in-line direction showed a difference of around 25%. The results from the HHT analysis are more reliable than the traditional ones, owing to the larger number of points to calculate the statistics characteristics. These results may be used to design risers and mooring lines, as well as to obtain VIM parameters to calibrate numerical predictions. [DOI: 10.1115/1.4003493]

Effect of infill panels on the seismic response of a typical R.C. frame

Three structural typologies has been evaluated based on the nonlinear dynamic analysis (i.e. Newmark's methods for MDFs: average acceleration method with Modified Newton-Raphson iteration). Those structural typologies differ each other only for the infills presence and placement. In particular, with the term BARE FRAME: the model of the structure has two identical frames, arranged in parallel. This model constitutes the base for the generation of the other two typologies, through the addition of non-bearing walls. Whereas with the term INFILLED FRAME: the model is achieved by adding twelve infill panels, all placed in the same frame. Finally with the term PILOTIS: the model has been generated to represent structures where the first floor has no walls. Therefore the infills are positioned in only one frame in its three upper floors. All three models have been subjected to ten accelerograms using the software DRAIN 2000.

(Table 1) Tree age, post fire stand age, and soil organic matter thickness in the western Quebec black spruce boreal ecosystem

The observed long-term decrease in the regional fire activity of Eastern Canada results in excessive accumulation of organic layer on the forest floor of coniferous forests, which may affect climate-growth relationships in canopy trees. To test this hypothesis, we related tree-ring chronologies of black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) to soil organic layer (SOL) depth at the stand scale in the lowland forests of Quebec's Clay Belt. Late-winter and early-spring temperatures and temperature at the end of the previous year's growing season were the major monthly level environmental controls of spruce growth. The effect of SOL on climate-growth relationships was moderate and reversed the association between tree growth and summer aridity from a negative to a positive relationship: trees growing on thin organic layers were thus negatively affected by drought, whereas it was the opposite for sites with deep (>20-30 cm) organic layers. This indicates the development of wetter conditions on sites with thicker SOL. Deep SOL were also associated with an increased frequency of negative growth anomalies (pointer years) in tree-ring chronologies. Our results emphasize the presence of nonlinear growth responses to SOL accumulation, suggesting 20-30 cm as a provisional threshold with respect to the effects of SOL on the climate-growth relationship. Given the current climatic conditions characterized by generally low-fire activity and a trend toward accumulation of SOL, the importance of SOL effects in the black spruce ecosystem is expected to increase in the future.

Pushover analysis for the seismic response prediction of cable-stayed bridges under multi-directional excitation

Cable-stayed bridges represent nowadays key points in transport networks and their seismic behavior needs to be fully understood, even beyond the elastic range of materials. Both nonlinear dynamic (NL-RHA) and static (pushover) procedures are currently available to face this challenge, each with intrinsic advantages and disadvantages, and their applicability in the study of the nonlinear seismic behavior of cable-stayed bridges is discussed here. The seismic response of a large number of finite element models with different span lengths, tower shapes and class of foundation soil is obtained with different procedures and compared. Several features of the original Modal Pushover Analysis (MPA) are modified in light of cable-stayed bridge characteristics, furthermore, an extension of MPA and a new coupled pushover analysis (CNSP) are suggested to estimate the complex inelastic response of such outstanding structures subjected to multi-axial strong ground motions.

Vulnerability analysis of RC buildings with wide beams located in moderate seismicity regions

A significant number of short-to-mid height RC buildings with wide beams have been constructed in areas of moderate seismicity of Spain, mainly for housing and administrative use. The buildings have a framed structure with one-way slabs; the wide beams constitute the distinctive characteristic, their depth being equal to that of the rest of the slab, thus providing a flat lower surface, convenient for construction and the layout of facilities. Seismic behavior in the direction of the wide beams appears to be deficient because of: (i) low lateral strength, mainly because of the small effective depth of the beams, (ii) inherent low ductility of the wide beams, generated by high amount of reinforcement, (iii) the big strut compressive forces developed inside the column-beam connections due to the low height of the beams, and (iv) the fact that the wide beams are wider than the columns, meaning that the contribution of the outer zones to the resistance of the beam-column joints is unreliable because there is no torsion reinforcement. In the orthogonal direction, the behavior is worse since the only members of the slabs that contribute to the lateral resistance are the joists and the façade beams. Moreover, these buildings were designed with codes that did not include ductility requirements and required only a low lateral resistance; indeed, in many cases, seismic action was not considered at all. Consequently, the seismic capacity of these structures is not reliable. The objective of this research is to assess numerically this capability, whereas further research will aim to propose retrofit strategies. The research approach consists of: (i) selecting a number of 3-story and 6-story buildings that represent the vast majority of the existing ones and (ii) evaluating their vulnerability through three types of analyses, namely: code-type, push-over and nonlinear dynamic analysis. Given the low lateral resistance of the main frames, the cooperation of the masonry infill walls is accounted for; for each representative building, three wall densities are considered. The results of the analyses show that the buildings in question exhibit inadequate seismic behavior in most of the examined situations. In general, the relative performance is less deficient for Target Drift CP (Collapse Prevention) than for IO (Immediate Occupancy). Since these buildings are selected to be representative of the vast majority of buildings with wide beams that were constructed in Spain without accounting for any seismic consideration, our conclusions can be extrapolated to a broader scenario.

Design energy input spectra for high seismicity regions based on Turkish registers

This work proposes design energy spectra in terms of an equivalent velocity, intended for regions with design peak acceleration 0.3 g or higher. These spectra were derived through linear and nonlinear dynamic analyses on a number of selected Turkish strong ground motion records. In the long and mid period ranges the analyses are linear, given the relative insensitivity of the spectra to structural parameters other than the fundamental period; conversely, in the short period range, the spectra are more sensitive to the structural parameters and, hence, nonlinear analyses are required. The selected records are classified in eight groups with respect to soil type (stiff or soft soil), the severity of the earthquake in terms of surface magnitude Ms(Ms≤ 5.5 and Ms> 5.5) and the relevance of the near-source effects (impulsive or vibratory). For each of these groups, median and characteristic spectra are proposed; such levels would respectively correspond to 50 and 95 % percentiles. These spectra have an initial linear growing branch in the short period range, a horizontal branch in the mid period range and a descending branch in the long period range. Empirical criteria for estimating the hysteretic energy from the input energy are suggested. The proposed design spectra are compared with those obtained from other studies.

Non uniform embedding based on relevance analysis with reduced computational complexity: application to the detection of pathologies from biosignal recordings

Nonlinear analysis tools for studying and characterizing the dynamics of physiological signals have gained popularity, mainly because tracking sudden alterations of the inherent complexity of biological processes might be an indicator of altered physiological states. Typically, in order to perform an analysis with such tools, the physiological variables that describe the biological process under study are used to reconstruct the underlying dynamics of the biological processes. For that goal, a procedure called time-delay or uniform embedding is usually employed. Nonetheless, there is evidence of its inability for dealing with non-stationary signals, as those recorded from many physiological processes. To handle with such a drawback, this paper evaluates the utility of non-conventional time series reconstruction procedures based on non uniform embedding, applying them to automatic pattern recognition tasks. The paper compares a state of the art non uniform approach with a novel scheme which fuses embedding and feature selection at once, searching for better reconstructions of the dynamics of the system. Moreover, results are also compared with two classic uniform embedding techniques. Thus, the goal is comparing uniform and non uniform reconstruction techniques, including the one proposed in this work, for pattern recognition in biomedical signal processing tasks. Once the state space is reconstructed, the scheme followed characterizes with three classic nonlinear dynamic features (Largest Lyapunov Exponent, Correlation Dimension and Recurrence Period Density Entropy), while classification is carried out by means of a simple k-nn classifier. In order to test its generalization capabilities, the approach was tested with three different physiological databases (Speech Pathologies, Epilepsy and Heart Murmurs). In terms of the accuracy obtained to automatically detect the presence of pathologies, and for the three types of biosignals analyzed, the non uniform techniques used in this work lightly outperformed the results obtained using the uniform methods, suggesting their usefulness to characterize non-stationary biomedical signals in pattern recognition applications. On the other hand, in view of the results obtained and its low computational load, the proposed technique suggests its applicability for the applications under study.

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

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

O elemento finito T6-3i na análise de placas e dinâmica de cascas.

O método dos elementos finitos é o método numérico mais difundido na análise de estruturas. Ao longo das últimas décadas foram formulados inúmeros elementos finitos para análise de cascas e placas. As formulações de elementos finitos lidam bem com o campo de deslocamentos, mas geralmente faltam testes que possam validar os resultados obtidos para o campo das tensões. Este trabalho analisa o elemento finito T6-3i, um elemento finito triangular de seis nós proposto dentro de uma formulação geometricamente exata, em relação aos seus resultados de tensões, comparando-os com as teorias analíticas de placas, resultados de tabelas para o cálculo de momentos em placas retangulares e do ANSYSr, um software comercial para análise estrutural, mostrando que o T6-3i pode apresentar resultados insatisfatórios. Na segunda parte deste trabalho, as potencialidades do T6-3i são expandidas, sendo proposta uma formulação dinâmica para análise não linear de cascas. Utiliza-se um modelo Lagrangiano atualizado e a forma fraca é obtida do Teorema dos Trabalhos Virtuais. São feitas simulações numéricas da deformação de domos finos que apresentam vários snap-throughs e snap-backs, incluindo domos com vincos curvos, mostrando a robustez, simplicidade e versatilidade do elemento na sua formulação e na geração das malhas não estruturadas necessárias para as simulações.

Modelos baseados em agentes aplicados à dinâmica de preços do mercado imobiliário

Um dos aspectos regulatórios fundamentais para o mercado imobiliário no Brasil são os limites para obtenção de financiamento no Sistema Financeiro de Habitação. Esses limites podem ser definidos de forma a aumentar ou reduzir a oferta de crédito neste mercado, alterando o comportamento dos seus agentes e, com isso, o preço de mercado dos imóveis. Neste trabalho, propomos um modelo de formação de preços no mercado imobiliário brasileiro com base no comportamento dos agentes que o compõem. Os agentes vendedores têm comportamento heterogêneo e são influenciados pela demanda histórica, enquanto que os agentes compradores têm o seu comportamento determinado pela disponibilidade de crédito. Esta disponibilidade de crédito, por sua vez, é definida pelos limites para concessão de financiamento no Sistema Financeiro de Habitação. Verificamos que o processo markoviano que descreve preço de mercado converge para um sistema dinâmico determinístico quando o número de agentes aumenta, e analisamos o comportamento deste sistema dinâmico. Mostramos qual é a família de variáveis aleatórias que representa o comportamento dos agentes vendedores de forma que o sistema apresente um preço de equilíbrio não trivial, condizente com a realidade. Verificamos ainda que o preço de equilíbrio depende não só das regras de concessão de financiamento no Sistema Financeiro de Habitação, como também do preço de reserva dos compradores e da memória e da sensibilidade dos vendedores a alterações na demanda. A memória e a sensibilidade dos vendedores podem levar a oscilações de preços acima ou abaixo do preço de equilíbrio (típicas de processos de formação de bolhas); ou até mesmo a uma bifurcação de Neimark-Sacker, quando o sistema apresenta dinâmica oscilatória estável.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Effect of β-adrenoceptor antagonists on autonomic control of ciliary smooth muscle

Purpose: Pharmacological intervention with peripheral sympathetic transmission at ciliary smooth muscle neuro-receptor junctions has been used against a background of controlled parasympathetic activity to investigate the characteristics of autonomic control of ocular accommodation. Methods: A continuously recording infrared optometer was used to measure accommodation on a group of five visually normal emmetropic subjects under open- and closed-loop conditions. A double-blind protocol between saline, timolol and betaxolol was used to differentiate between the localised action on ciliary smooth muscle and effects induced by changes in stimulus conditions. Data were collected before and 45 min following the instillation of saline, timolol or betaxolol. Open-loop post-task decay was investigated following 3 min sustained near fixation of a stimulus placed 3 D above the subject's pre-task tonic accommodation level. Closed-loop dynamic responses were recorded for each treatment condition while subjects viewed sinusoidally (0.05-0.6 Hz) or stepwise vergence-modulated targets over a 2 D range (2-4 D). Results: Open-loop data demonstrate a rapid post-task regression to pre-task tonic accommodation levels for saline and betaxolol control conditions. A slow positive post-task shift was induced by timolol indicating that sympathetic inhibition contributes to accommodative adaptation during sustained near vision. Closed-loop accommodation responses to temporally modulated sinusoidal stimuli showed characteristic features for both saline and betaxolol control conditions. Timolol induced a reduced gain for low- and mid-temporal frequencies (< 0.3 Hz) but did not affect the response at higher temporal frequencies. Response times to stepwise stimuli increased following the instillation of timolol for the near-to-far fixation condition compared with the controls and was related to the period of sustained prior fixation. Conclusions: Modulation of accommodation under open- and closed-loop conditions by a non-selective β-blocker is consistent with the temporal and inhibitory features of sympathetic innervation to ciliary smooth muscle. Although parasympathetic innervation predominates there is evidence to support a role for sympathetic innervation in the control of ocular accommodation. © 2002 The College of Optometrists.

Applications of Reissner's principle to structural dynamics

The analysis and prediction of the dynamic behaviour of s7ructural components plays an important role in modern engineering design. :n this work, the so-called "mixed" finite element models based on Reissnen's variational principle are applied to the solution of free and forced vibration problems, for beam and :late structures. The mixed beam models are obtained by using elements of various shape functions ranging from simple linear to complex cubic and quadratic functions. The elements were in general capable of predicting the natural frequencies and dynamic responses with good accuracy. An isoparametric quadrilateral element with 8-nodes was developed for application to thin plate problems. The element has 32 degrees of freedom (one deflection, two bending and one twisting moment per node) which is suitable for discretization of plates with arbitrary geometry. A linear isoparametric element and two non-conforming displacement elements (4-node and 8-node quadrilateral) were extended to the solution of dynamic problems. An auto-mesh generation program was used to facilitate the preparation of input data required by the 8-node quadrilateral elements of mixed and displacement type. Numerical examples were solved using both the mixed beam and plate elements for predicting a structure's natural frequencies and dynamic response to a variety of forcing functions. The solutions were compared with the available analytical and displacement model solutions. The mixed elements developed have been found to have significant advantages over the conventional displacement elements in the solution of plate type problems. A dramatic saving in computational time is possible without any loss in solution accuracy. With beam type problems, there appears to be no significant advantages in using mixed models.