Maintenance and Design of Steel Abutment Piles in Iowa Bridges, TR-622, 2014

Soil consolidation and erosion caused by roadway runoff have exposed the upper portions of steel piles at the abutments of numerous bridges, leaving them susceptible to accelerated corrosion rates due to the abundance of moisture, oxygen, and chlorides at these locations. This problem is compounded by the relative inaccessibility of abutment piles for close-up inspection and repair. The objective of this study was to provide bridge owners with recommendations for effective methods of addressing corrosion of steel abutment piles in existing and future bridges A review of available literature on the performance and protection of steel piles exposed to a variety of environments was performed. Eight potential coating systems for use in protecting existing and/or new piles were selected and subjected to accelerated corrosion conditions in the laboratory. Two surface preparation methods were evaluated in the field and three coating systems were installed on three piles at an existing bridge where abutment piles had been exposed by erosion. In addition, a passive cathodic protection (CP) system using sacrificial zinc anodes was tested in the laboratory. Several trial flowable mortar mixes were evaluated for use in conjunction with the CP system. For existing abutment piles, application of a protective coating system is a promising method of mitigating corrosion. Based on its excellent performance in accelerated corrosion conditions in the laboratory on steel test specimens with SSPC-SP3, -SP6, and -SP10 surface preparations, glass flake polyester is recommended for use on existing piles. An alternative is epoxy over organic zinc rich primer. Surface preparation of existing piles should include abrasive blast cleaning to SSPC-SP6. Although additional field testing is needed, based on the results of the laboratory testing, a passive CP system could provide an effective means of protecting piles in existing bridges when combined with a pumped mortar used to fill voids between the abutment footing and soil. The addition of a corrosion inhibitor to the mortar appears to be beneficial. For new construction, shop application of thermally sprayed aluminum or glass flake polyester to the upper portion of the piles is recommended.

Multivariable regression analysis and hot-spot stress approach into fatigue life estimations of welded joints

Kolmen eri hitsausliitoksen väsymisikä arvio on analysoitu monimuuttuja regressio analyysin avulla. Regression perustana on laaja S-N tietokanta joka on kerätty kirjallisuudesta. Tarkastellut liitokset ovat tasalevy liitos, krusiformi liitos ja pitkittäisripa levyssä. Muuttujina ovat jännitysvaihtelu, kuormitetun levyn paksuus ja kuormitus tapa. Paksuus effekti on käsitelty uudelleen kaikkia kolmea liitosta ajatellen. Uudelleen käsittelyn avulla on varmistettu paksuus effektin olemassa olo ennen monimuuttuja regressioon siirtymistä. Lineaariset väsymisikä yhtalöt on ajettu kolmelle hitsausliitokselle ottaen huomioon kuormitetun levyn paksuus sekä kuormitus tapa. Väsymisikä yhtalöitä on verrattu ja keskusteltu testitulosten valossa, jotka on kerätty kirjallisuudesta. Neljä tutkimustaon tehty kerättyjen väsymistestien joukosta ja erilaisia väsymisikä arvio metodeja on käytetty väsymisiän arviointiin. Tuloksia on tarkasteltu ja niistä keskusteltu oikeiden testien valossa. Tutkimuksissa on katsottu 2mm ja 6mm symmetristäpitkittäisripaa levyssä, 12.7mm epäsymmetristä pitkittäisripaa, 38mm symmetristä pitkittäisripaa vääntökuormituksessa ja 25mm/38mm kuorman kantavaa krusiformi liitosta vääntökuormituksessa. Mallinnus on tehty niin lähelle testi liitosta kuin mahdollista. Väsymisikä arviointi metodit sisältävät hot-spot metodin jossa hot-spot jännitys on laskettu kahta lineaarista ja epälineaarista ekstrapolointiakäyttäen sekä paksuuden läpi integrointia käyttäen. Lovijännitys ja murtumismekaniikka metodeja on käytetty krusiformi liitosta laskiessa.

Evolution of superficial lake water temperature profile under diurnal radiative forcing

In lentic water bodies, such as lakes, the water temperature near the surface typically increases during the day, and decreases during the night as a consequence of the diurnal radiative forcing (solar and infrared radiation). These temperature variations penetrate vertically into the water, transported mainly by heat conduction enhanced by eddy diffusion, which may vary due to atmospheric conditions, surface wave breaking, and internal dynamics of the water body. These two processes can be described in terms of an effective thermal diffusivity, which can be experimentally estimated. However, the transparency of the water (depending on turbidity) also allows solar radiation to penetrate below the surface into the water body, where it is locally absorbed (either by the water or by the deployed sensors). This process makes the estimation of effective thermal diffusivity from experimental water temperature profiles more difficult. In this study, we analyze water temperature profiles in a lake with the aim of showing that assessment of the role played by radiative forcing is necessary to estimate the effective thermal diffusivity. To this end we investigate diurnal water temperature fluctuations with depth. We try to quantify the effect of locally absorbed radiation and assess the impact of atmospheric conditions (wind speed, net radiation) on the estimation of the thermal diffusivity. The whole analysis is based on the results of fiber optic distributed temperature sensing, which allows unprecedented high spatial resolution measurements (∼4 mm) of the temperature profile in the water and near the water surface.

An Optimum Coating Colour Formula for CSWO-printing

Pigmenttipäällystyksen tarkoituksena on parantaa painopapereiden pintaominaisuuksia. Tämän työn tarkoituksena oli löytää sopiva päällystyspasta päällystetylle coldset-paperille. Kirjallisuusosassa on käsitelty coldset-painatusta ja sen ongelmia. Päällystysmenetelmän perusteita, pastan ominaisuuksia ja niiden vaikutusta päällystystulokseen on myös käsitelty. Lisäksi on esitelty joitakin päällystetyn paperin pinnantutkimusmenetelmiä. Kokeellisessa osassa on tutkittu erilaisten pastakoostumusten ja päällystemäärien sekä kalanteroinnin vaikutusta paperin painettavuuteen. Paperit on päällystetty Helicoaterilla ja joitakin pastoja on testattu myös pilot-mittakaavaisessa päällystyksessä. Selitystä paperin käyttäytymiseen painatuksessa on etsitty päällystetyn paperin pintarakenteesta. Paras painettavuus saavutetaan päällysteellä, jossa pigmenttinä on vain karbonaatti. Painojälkeä voidaan parantaa käyttämällä kalsinoitua kaoliinia yhdessä karbonaatin kanssa, mutta tämän päällysteen pintalujuus ei ole riittävä CSWO-painatukseen. Tärkkipigmentti parantaa veden ja painovärin absorptiota ja siten tekee painetun tuotteen kuivemmaksi ja miellyttävämmän tuntuiseksi, mutta aiheuttaa smearingia. Tämä johtuu liian nopeasta musteen asettuvuudesta. "Pehmeä" SB-lateksi soveltuu paremmin offset-painatukseen kuin "kova" lateksi, joka sisältää myös PVAc:ta. "Pehmeällä" lateksilla saadaan parempi pintalujuus ja painojälki kuin "kovalla" lateksilla. Paperin pölyävyyttä painatuksessa voidaan vähentää nostamalla päällystemäärää ja laskemalla pastan kuiva-ainepitoisuutta. Kalanteroinnilla ei pintalujuutta tai painojälkeä voida parantaa. Selitys tutkimuksessa käsiteltyjen papereiden painojäljelle ja painettavuudelle löydetään tutkimalla päällysteen pintarakennetta. Painojälkeen vaikuttaa eniten päällysteen peittoaste. Huonoa peittävyyttä voidaan parantaa nostamalla päällystemäärää. Pölyäminen painatuksessa johtuu pigmenteistä, jotka eivät ole sidottuja paperin pintaan. Tämä taas johtuu pastan huonosta vesiretentiosta. Hyödyllisintä tietoa näiden papereiden pintarakenteesta saadaan tutkimalla pintaa pyyhkäisyelektonimikroskoopilla (SEM), atomivoimamikroskoopilla (AFM) ja laserindusoidulla plasmaspektrometrilla (LIPS). LIPSin etuna on se, että päällystemääräjaukauma voidaan määrittää sekä x-y- että z-suunnassa samanaikaisesti samasta kohdasta. LIPSissä myös näytteen preparointitarve on hyvin vähäinen.

Lämpötilamuutosten vaikutukset metallien liimaliitoksiin

Diplomityön tavoitteena oli tutkia lämpötilan ja sen muutosten vaikutusta kahden metallin tai metallin ja magneetin väliseen liimaliitokseen. Tutkimuksen päätavoitteena oli tutkia magneettien liimaukseen käytetyn akryyliliiman lujuutta lämpösyklitysten jälkeen ja eri käyttölämpötilojen seurauksena. Teoriaosassa on käsitelty erilaisia liimauksen toteutukseen ja liimaliitoksen lujuuteen vaikuttavia tekijöitä. Erilaiset metallien liimaukseen soveltuvat liimatyypit ja niiden tarttumiseen liittyvät tekijät, kuten esikäsittelyt on myös käyty läpi teoriaosassa. Myös liiman- ja liimatyypin valintaa koskevia periaatteita ja tekniikoita on käsitelty. Käytännön osassa on esitelty koejärjestelyt sekä tutkittavat materiaalit ja niille suoritetut esikäsittelyt. Käytännön kokeissa suoritettavissa liimaliitoksissa käytettiin akryyli- ja silikoniliimoja, joille suoritettiin erilaisia vetokokeita. Akryyliliimalla liimatuille liitoksille suoritettiin myös lämpösyklityksiä, joita vertailtiin käsittelemättömiin liitoksiin. Magneettien ja metallien välisten liitosten lujuuden lisäksi liimalta saavutettavia lujuuksia arvioitiin rakenneterästen välisen liimaliitoksen sisältävillä vetosauvoilla. Suoritettujen kokeiden perusteella havaittiin lämpötilan vaikuttavan radikaalisesti liimaliitosten lujuuteen. Magneettien liimaliitoksilla saavutettiin käytännön sovellukseen riittävän suuria leikkauslujuuden arvoja vain huoneenlämpötilassa vedettäessä. Lämpösyklitysten todettiin myös heikentävän liitosta selvästi. Silikoniliiman lujuus oli alle sovelluskohteessa vaikuttavien voimien optimaalisissakin olosuhteissa. Metallien välisten liimaliitosten lujuuden todettiin heikentyvän nopeasti kasvatettaessa vetokokeissa käytettyä lämpötilaa. Liitoksen heikkenemistä havaittiin myös lämpötilaa laskettaessa.

Repair of segmental bone defects with fiber-reinforced composite: a study of material development and an animal model on rabbits

The Repair of segmental defects in load-bearing long bones is a challenging task because of the diversity of the load affecting the area; axial, bending, shearing and torsional forces all come together to test the stability/integrity of the bone. The natural biomechanical requirements for bone restorative materials include strength to withstand heavy loads, and adaptivity to conform into a biological environment without disturbing or damaging it. Fiber-reinforced composite (FRC) materials have shown promise, as metals and ceramics have been too rigid, and polymers alone are lacking in strength which is needed for restoration. The versatility of the fiber-reinforced composites also allows tailoring of the composite to meet the multitude of bone properties in the skeleton. The attachment and incorporation of a bone substitute to bone has been advanced by different surface modification methods. Most often this is achieved by the creation of surface texture, which allows bone growth, onto the substitute, creating a mechanical interlocking. Another method is to alter the chemical properties of the surface to create bonding with the bone – for example with a hydroxyapatite (HA) or a bioactive glass (BG) coating. A novel fiber-reinforced composite implant material with a porous surface was developed for bone substitution purposes in load-bearing applications. The material’s biomechanical properties were tailored with unidirectional fiber reinforcement to match the strength of cortical bone. To advance bone growth onto the material, an optimal surface porosity was created by a dissolution process, and an addition of bioactive glass to the material was explored. The effects of dissolution and orientation of the fiber reinforcement were also evaluated for bone-bonding purposes. The Biological response to the implant material was evaluated in a cell culture study to assure the safety of the materials combined. To test the material’s properties in a clinical setting, an animal model was used. A critical-size bone defect in a rabbit’s tibia was used to test the material in a load-bearing application, with short- and long-term follow-up, and a histological evaluation of the incorporation to the host bone. The biomechanical results of the study showed that the material is durable and the tailoring of the properties can be reproduced reliably. The Biological response - ex vivo - to the created surface structure favours the attachment and growth of bone cells, with the additional benefit of bioactive glass appearing on the surface. No toxic reactions to possible agents leaching from the material could be detected in the cell culture study when compared to a nontoxic control material. The mechanical interlocking was enhanced - as expected - with the porosity, whereas the reinforcing fibers protruding from the surface of the implant gave additional strength when tested in a bone-bonding model. Animal experiments verified that the material is capable of withstanding load-bearing conditions in prolonged use without breaking of the material or creating stress shielding effects to the host bone. A Histological examination verified the enhanced incorporation to host bone with an abundance of bone growth onto and over the material. This was achieved with minimal tissue reactions to a foreign body. An FRC implant with surface porosity displays potential in the field of reconstructive surgery, especially regarding large bone defects with high demands on strength and shape retention in load-bearing areas or flat bones such as facial / cranial bones. The benefits of modifying the strength of the material and adjusting the surface properties with fiber reinforcement and bone-bonding additives to meet the requirements of different bone qualities are still to be fully discovered.

Developing raster bands computed from LiDAR to improve forest

This study examines the use of di erent features derived from remotely sensed data in segmentation of forest stands. Surface interpolation methods were applied to LiDAR points in order to represent data in the form of grayscale images. Median and mean shift ltering was applied to the data for noise reduction. The ability of di erent compositions of rasters obtained from LiDAR data and an aerial image to maximize stand homogeneity in the segmentation was evaluated. The quality of forest stand delineations was assessed by the Akaike information criterion. The research was performed in co-operation with Arbonaut Ltd., Joensuu, Finland.

Heat flux measurement inside internal combustion engine with gradient heat flux sensor.

This master’s thesis is devoted to study different heat flux measurement techniques such as differential temperature sensors, semi-infinite surface temperature methods, calorimetric sensors and gradient heat flux sensors. The possibility to use Gradient Heat Flux Sensors (GHFS) to measure heat flux in the combustion chamber of compression ignited reciprocating internal combustion engines was considered in more detail. A. Mityakov conducted an experiment, where Gradient Heat Flux Sensor was placed in four stroke diesel engine Indenor XL4D to measure heat flux in the combustion chamber. The results which were obtained from the experiment were compared with model’s numerical output. This model (a one – dimensional single zone model) was implemented with help of MathCAD and the result of this implementation is graph of heat flux in combustion chamber in relation to the crank angle. The values of heat flux throughout the cycle obtained with aid of heat flux sensor and theoretically were sufficiently similar, but not identical. Such deviation is rather common for this type of experiment.

Développement et caractérisation de sources de neutres réactifs pour l’étude des interactions plasmas-surfaces

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer et de caractériser diverses sources de neutres réactifs destinées à des études fondamentales des interactions plasmas-surfaces. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’une vaste étude de la physique des interactions plasmas-parois mises en jeu dans les procédés de gravure par plasma des matériaux de pointe. Une revue de la littérature scientifique sur les diverses méthodes permettant de générer des faisceaux de neutres réactifs nous a permis de sélectionner deux types de sources. La première, une source pyrolitique, a été caractérisée par spectrométrie de masse en utilisant le C2F6 comme molécule mère. Nous avons montré que le C2F6 était dissocié à plus de 90% à 1000ºC et qu’il formait du CF4, lui-même dissocié en CF2 vers 900ºC. Ces résultats ont été validés à l’aide d’un modèle basé sur des calculs d’équilibres chimiques, qui a aussi prédit la formation de F à 1500ºC. La seconde source, un plasma entretenu par une onde électromagnétique de surfaces, a été caractérisée par spectroscopie optique d’émission et par interférométrie haute fréquence. Dans le cas du plasma d’argon créé par un champ électromagnétique (>GHz), nos travaux ont révélé une distribution en énergie des électrons à trois températures avec Te-low>Te-high

Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.

Modification des propriétés optiques de nanofils à base de GaN par plasma N2/O2

Une sonde électrostatique de Langmuir cylindrique a été utilisée pour caractériser une post-décharge d’un plasma d’ondes de surface de N2-O2 par la mesure de la densité des ions et électrons ainsi que la température des électrons dérivée de la fonction de distribution en énergie des électrons (EEDF). Une densité maximale des électrons au centre de la early afterglow de l’ordre de 1013 m-3 a été déterminée, alors que celle-ci a chuté à 1011 m-3 au début de la late afterglow. Tout au long du profil de la post-décharge, une densité des ions supérieure à celle des électrons indique la présence d’un milieu non macroscopiquement neutre. La post-décharge est caractérisée par une EEDF quasi maxwellienne avec une température des électrons de 0.5±0.1 eV, alors qu’elle grimpe à 1.1 ±0.2 eV dans la early afterglow due à la contribution des collisions vibrationnelles-électroniques (V-E) particulièrement importantes. L’ajout d’O2 dans la décharge principale entraîne un rehaussement des espèces chargées et de la température des électrons suivi d’une chute avec l’augmentation de la concentration d’O2. Le changement de la composition électrique de la post-décharge par la création de NO+ au détriment des ions N2+ est à l’origine du phénomène. Le recours à cette post-décharge de N2 pour la modification des propriétés d’émission optique de nanofils purs de GaN et avec des inclusions d’InGaN a été étudié par photoluminescence (PL). Bien que l’émission provenant des nanofils de GaN et de la matrice de GaN recouvrant les inclusions diminue suite à la création de sites de recombinaison non radiatifs, celle provenant des inclusions d’InGaN augmente fortement. Des mesures de PL par excitation indiquent que cet effet n’est pas attribuable à un changement de l’absorption de la surface de GaN. Ceci suggère un recuit dynamique induit par la désexcitation des métastables de N2 suite à leur collision à la surface des nanofils et la possibilité de passiver les défauts de surface tels que des lacunes d’azote par l’action d’atomes de N2 réactifs provenant de la post-décharge. L’incorporation d’O2 induit les mêmes effets en plus d’un décalage vers le rouge de la bande d’émission des inclusions, suggérant l’action des espèces d’O2 au sein même des nanostructures.

Thermal transport across incommensurate phases in potassium selenate: photo-pyroelectric and calorimetric measurements

The thermal transport properties—thermal diffusivity, thermal conductivity and specific heat capacity—of potassium selenate crystal have been measured through the successive phase transitions, following the photo-pyroelectric thermal wave technique. The variation of thermal conductivity with temperature through the incommensurate (IC) phase of this crystal is measured. The enhancement in thermal conductivity in the IC phase is explained in terms of heat conduction by phase modes, and the maxima in thermal conductivity during transitions is due to enhancement in the phonon mean free path and the corresponding reduction in phonon scattering. The anisotropy in thermal conductivity and its variation with temperature are reported. The variation of the specific heat with temperature through the high temperature structural transition at 745 K is measured, following the differential scanning calorimetric method. By combining the results of photo-pyroelectric thermal wave methods and differential scanning calorimetry, the variation of the specific heat capacity with temperature through all the four phases of K2SeO4 is reported. The results are discussed in terms of phonon mode softening during transitions and phonon scattering by phase modes in the IC phase.

Investigations on the radiation characteristics of flanged sectoral horn antennas and corner reflector systems

Antennas play an important role in determining the characteristics of any electronic system which depends on free space as the propagation medium. Basically, an antenna can be considered as the connecting link between free space and the transmitter or receiver. For radar and navigational purposes the directional properties of an antenna is its most basic requirement as it determines the distribution of radiated energy. Hence the study of directional properties of antennas has got special significance and several useful applications.

Study on Granular Dynamics in Vertically Vibrated Beds using Tracking Technique

The study of granular material is of great interest to many researchers in both engineering and science communities. The importance of such a study derives from its complex rheological character and also its significant role in a wide range of industrial applications, such as coal, food, plastics, pharmaceutical, powder metallurgy and mineral processing. A number of recent reports have been focused on the physics of non-cohesive granular material submitted to vertical vibration in either experimental or theoretical approaches. Such a kind of system can be used to separate, mix and dry granular materials in industries. It exhibits different instability behaviour on its surface when under vertical vibration, for example, avalanching, surface fluidization and surface wave, and these phenomena have attracted particular interest of many researchers. However, its fundamental understanding of the instability mechanism is not yet well-understood. This paper is therefore to study the dynamics of granular motion in such a kind of system using Positron Emission Particle Tracking (PEPT), which allows the motion of a single tracer particle to be followed in a non-invasive way. Features of the solids motion such as cycle frequency and dispersion index were investigated via means of authors’ specially-written programmes. Regardless of the surface behaviour, particles are found to travel in rotational movement in horizontal plane. Particle cycle frequency is found to increase strongly with increasing vibration amplitude. Particle dispersion also increased strongly with vibration amplitude. Horizontal dispersion is observed to always exceed vertical dispersion.

Langmuir turbulence and deeply penetrating jets in an unstratified mixed layer

The influence of surface waves and an applied wind stress is studied in an ensemble of large eddy simulations to investigate the nature of deeply penetrating jets into an unstratified mixed layer. The influence of a steady monochromatic surface wave propagating parallel to the wind direction is parameterized using the wave-filtered Craik-Leibovich equations. Tracer trajectories and instantaneous downwelling velocities reveal classic counterrotating Langmuir rolls. The associated downwelling jets penetrate to depths in excess of the wave's Stokes depth scale, δs. Qualitative evidence suggests the depth of the jets is controlled by the Ekman depth scale. Analysis of turbulent kinetic energy (tke) budgets reveals a dynamical distinction between Langmuir turbulence and shear-driven turbulence. In the former, tke production is dominated by Stokes shear and a vertical flux term transports tke to a depth where it is dissipated. In the latter, tke production is from the mean shear and is locally balanced by dissipation. We define the turbulent Langmuir number Lat = (v*/Us)0.5 (v* is the ocean's friction velocity and Us is the surface Stokes drift velocity) and a turbulent anisotropy coefficient Rt = /( + ). The transition between shear-driven and Langmuir turbulence is investigated by varying external wave parameters δs and Lat and by diagnosing Rt and the Eulerian mean and Stokes shears. When either Lat or δs are sufficiently small the Stokes shear dominates the mean shear and the flow is preconditioned to Langmuir turbulence and the associated deeply penetrating jets.