Nonlinear analysis of pile foundation jacket platform

In this paper, the nonlinear collapse of the BOHAI-8 pile foundation jacket platform has been analyzed. The ultimate load and collapse process of two computational models of the structure are given. One model is of fixed support whose length is eight times the pile leg diameter and the other considers the nonlinearity of the soil-pile interaction.

From transistor to trapped-ion computers for quantum chemistry

Over the last few decades, quantum chemistry has progressed through the development of computational methods based on modern digital computers. However, these methods can hardly fulfill the exponentially-growing resource requirements when applied to large quantum systems. As pointed out by Feynman, this restriction is intrinsic to all computational models based on classical physics. Recently, the rapid advancement of trapped-ion technologies has opened new possibilities for quantum control and quantum simulations. Here, we present an efficient toolkit that exploits both the internal and motional degrees of freedom of trapped ions for solving problems in quantum chemistry, including molecular electronic structure, molecular dynamics, and vibronic coupling. We focus on applications that go beyond the capacity of classical computers, but may be realizable on state-of-the-art trapped-ion systems. These results allow us to envision a new paradigm of quantum chemistry that shifts from the current transistor to a near-future trapped-ion-based technology.

Embedding quantum simulators

79 p.

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.

Energy demands of diverse spiking cells from the neocortex, hippocampus, and thalamus

It has long been known that neurons in the brain are not physiologically homogeneous. In response to current stimulus, they can fire several distinct patterns of action potentials that are associated with different physiological classes ranging from regular-spiking cells, fast-spiking cells, intrinsically bursting cells, and low-threshold cells. In this work we show that the high degree of variability in firing characteristics of action potentials among these cells is accompanied with a significant variability in the energy demands required to restore the concentration gradients after an action potential. The values of the metabolic energy were calculated for a wide range of cell temperatures and stimulus intensities following two different approaches. The first one is based on the amount of Na+ load crossing the membrane during a single action potential, while the second one focuses on the electrochemical energy functions deduced from the dynamics of the computational neuron models. The results show that the thalamocortical relay neuron is the most energy-efficient cell consuming between 7 and 18 nJ/cm(2) for each spike generated, while both the regular and fast spiking cells from somatosensory cortex and the intrinsically-bursting cell from a cat visual cortex are the least energy-efficient, and can consume up to 100 nJ/cm(2) per spike. The lowest values of these energy demands were achieved at higher temperatures and high external stimuli.

Determinação de uma fonte de contaminantes no estuário do Rio Macaé através da técnica de problemas inversos

Um grande desafio da atualidade é a preservação dos recursos hídricos, bem como o correto manejo dos mesmos, frente à expansão das cidades e às atividades humanas. A qualidade de um corpo hídrico é usualmente avaliada através da análise de parâmetros biológicos, físicos e químicos. O comportamento de tais parâmetros pode convenientemente ser simulado através de modelos matemáticos e computacionais, que surgem assim como uma ferramenta bastante útil, por sua capacidade de geração de cenários que possam embasar, por exemplo, tomadas de decisão. Nesta tese são discutidas técnicas de estimação da localização e intensidade de uma fonte de contaminante conservativo, hipoteticamente lançado na região predominantemente fluvial de um estuário. O lançamento aqui considerado se dá de forma pontual e contínua e a região enfocada compreendeu o estuário do Rio Macaé, localizado na costa norte do Rio de Janeiro. O trabalho compreende a solução de um problema direto, que consiste no transporte bidimensional (integrado na vertical) desse contaminante hipotético, bem como a aplicação de técnicas de problemas inversos. Para a solução do transporte do contaminante, aqui modelada pela versão 2D horizontal da equação de advecção-difusão, foram utilizados como métodos de discretização o Método de Elementos Finitos e o Método de Diferenças Finitas. Para o problema hidrodinâmico foram utilizados dados de uma solução já desenvolvida para estuário do Rio Macaé. Analisada a malha de acordo com o método de discretização, foram definidas a geometria do estuário e os parâmetros hidrodinâmicos e de transporte. Para a estimação dos parâmetros propostos foi utilizada a técnica de problemas inversos, com o uso dos métodos Luus-Jaakola, Algoritmo de Colisão de Partículas e Otimização por Colônia de Formigas para a estimação da localização e do método Seção Áurea para a estimação do parâmetro de intensidade da fonte. Para a definição de uma fonte, com o objetivo de propor um cenário experimental idealizado e de coleta de dados de amostragem, foi realizada a análise de sensibilidade quanto aos parâmetros a serem estimados. Como os dados de amostragem de concentração foram sintéticos, o problema inverso foi resolvido utilizando-os com e sem ruído, esse introduzido de forma artificial e aleatória. Sem o uso de ruído, os três métodos mostraram-se igualmente eficientes, com uma estimação precisa em 95% das execuções. Já com o uso de dados de amostragem com ruídos de 5%, o método Luus-Jaakola mostrou-se mais eficiente em esforço e custo computacional, embora todos tenham estimado precisamente a fonte em 80% das execuções. Considerando os resultados alcançados neste trabalho tem-se que é possível estimar uma fonte de constituintes, quanto à sua localização e intensidade, através da técnica de problemas inversos. Além disso, os métodos aplicados mostraram-se eficientes na estimação de tais parâmetros, com estimações precisas para a maioria de suas execuções. Sendo assim, o estudo do comportamento de contaminantes, e principalmente da identificação de fontes externas, torna-se uma importante ferramenta para a gestão dos recursos hídricos, possibilitando, inclusive, a identificação de possíveis responsáveis por passivos ambientais.

Análise dinâmica e controle de vibrações de passarelas de pedestres submetidas ao caminhar humano.

Passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) e de aço são frequentemente submetidas a ações dinâmicas de magnitude variável, devido à travessia de pedestres sobre a laje de concreto. Estas ações dinâmicas podem produzir vibrações excessivas e dependendo de sua magnitude e intensidade, estes efeitos adversos podem comprometer a confiabilidade e a resposta do sistema estrutural e, também, podem levar a uma redução da expectativa de vida útil da passarela. Por outro lado, a experiência e o conhecimento dos engenheiros estruturais em conjunto com o uso de novos materiais e tecnologias construtivas têm produzido projetos de passarelas mistas (aço-concreto) bastante arrojados. Uma consequência direta desta tendência de projeto é um aumento considerável das vibrações estruturais. Com base neste cenário, esta dissertação visa investigar o comportamento dinâmico de três passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) localizadas no Rio de Janeiro, submetidas ao caminhar humano. Estes sistemas estruturais são constituídos por uma estrutura principal de aço e laje em concreto e são destinados à travessia de pedestres. Deste modo, foram desenvolvidos modelos numérico-computacionais, adotando-se as técnicas tradicionais de refinamento presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no uso do software ANSYS. Estes modelos numéricos permitiram uma completa avaliação dinâmica das passarelas investigadas, especialmente em termos de conforto humano. As respostas dinâmicas foram obtidas em termos de acelerações de pico e comparadas com valores limites propostas por diversos autores e normas de projeto. Os valores de aceleração de pico e aceleração rms encontrados na presente investigação indicaram que as passarelas analisadas apresentaram problemas relacionados com o conforto humano. Assim sendo, considerando-se que foi detectado que estas estruturas poderiam atingir níveis elevados de vibração que possam vir a comprometer o conforto dos usuários, foi verificado que uma estratégia para o controle estrutural era necessária, a fim de reduzir as vibrações excessivas nas passarelas. Finalmente, uma investigação foi realizada com base em alternativas de controle estrutural objetivando atenuar vibrações excessivas, a partir do emprego de sistemas de atenuadores dinâmicos sintonizados (ADS).

Estudo de fluxos numéricos para modelos magneto-hidrodinâmicos utilizando o código Flash

A teoria magneto-hidrodinâmicos permite a estruturação de modelos computacionais, designados modelos MHDs, que são uma extensão da dinâmica dos fluidos para lidar com fluidos eletricamente carregados, tais como os plasmas, em que se precisa considerar os efeitos de forças eletromagnéticas. Tais modelos são especialmente úteis quando o movimento exato de uma partícula não é de interesse, sendo que as equações descrevem as evoluções de quantidades macroscópicas. Várias formas de modelos MHD têm sido amplamente utilizadas na Física Espacial para descrever muitos tipos diferentes de fenômenos de plasma, tais como reconexão magnética e interações de ventos estelares com diferentes objetos celestiais. Neste trabalho, o objetivo é analisar o comportamento de diversos fluxos numéricos em uma discretização de volumes finitos de um modelo numérico de MHD usando um esquema de malha entrelaçada sem separação direcional considerando alguns casos testes. Para as simulações, utiliza-se o código Flash, desenvolvido pela Universidade de Chicago, por ser um código de amplo interesse nas simulações astrofísicas e de fenômenos no espaço próximo à Terra. A metodologia consiste na inclusão de um fluxo numérico, permitindo melhoria com respeito ao esquema HLL.

Risk-sensitivity and the mean-variance trade-off: decision making in sensorimotor control.

Numerous psychophysical studies suggest that the sensorimotor system chooses actions that optimize the average cost associated with a movement. Recently, however, violations of this hypothesis have been reported in line with economic theories of decision-making that not only consider the mean payoff, but are also sensitive to risk, that is the variability of the payoff. Here, we examine the hypothesis that risk-sensitivity in sensorimotor control arises as a mean-variance trade-off in movement costs. We designed a motor task in which participants could choose between a sure motor action that resulted in a fixed amount of effort and a risky motor action that resulted in a variable amount of effort that could be either lower or higher than the fixed effort. By changing the mean effort of the risky action while experimentally fixing its variance, we determined indifference points at which participants chose equiprobably between the sure, fixed amount of effort option and the risky, variable effort option. Depending on whether participants accepted a variable effort with a mean that was higher, lower or equal to the fixed effort, they could be classified as risk-seeking, risk-averse or risk-neutral. Most subjects were risk-sensitive in our task consistent with a mean-variance trade-off in effort, thereby, underlining the importance of risk-sensitivity in computational models of sensorimotor control.

Maintaining internal representations: The role of the human superior parietal lobe

In sensorimotor integration, sensory input and motor output signals are combined to provide an internal estimate of the state of both the world and one's own body. Although a single perceptual and motor snapshot can provide information about the current state, computational models show that the state can be optimally estimated by a recursive process in which an internal estimate is maintained and updated by the current sensory and motor signals. These models predict that an internal state estimate is maintained or stored in the brain. Here we report a patient with a lesion of the superior parietal lobe who shows both sensory and motor deficits consistent with an inability to maintain such an internal representation between updates. Our findings suggest that the superior parietal lobe is critical for sensorimotor integration, by maintaining an internal representation of the body's state.

How is somatosensory information used to adapt to changes in the mechanical environment?

Recent studies examining adaptation to unexpected changes in the mechanical environment highlight the use of position error in the adaptation process. However, force information is also available. In this chapter, we examine adaptation processes in three separate studies where the mechanical environment was changed intermittently. We compare the expected consequences of using position error and force information in the changes to motor commands following a change in the mechanical environment. In general, our results support the use of position error over force information and are consistent with current computational models of motor learning. However, in situations where the change in the mechanical environment eliminates position error the central nervous system does not necessarily respond as would be predicted by these models. We suggest that it is necessary to take into account the statistics of prior experience to account for our observations. Another deficiency in these models is the absence of a mechanism for modulating limb mechanical impedance during adaptation. We propose a relatively simple computational model based on reflex responses to perturbations which is capable of accounting for iterative changes in temporal patterns of muscle co-activation.

Comparing crowding in human and ideal observers.

A visual target is more difficult to recognize when it is surrounded by other, similar objects. This breakdown in object recognition is known as crowding. Despite a long history of experimental work, computational models of crowding are still sparse. Specifically, few studies have examined crowding using an ideal-observer approach. Here, we compare crowding in ideal observers with crowding in humans. We derived an ideal-observer model for target identification under conditions of position and identity uncertainty. Simulations showed that this model reproduces the hallmark of crowding, namely a critical spacing that scales with viewing eccentricity. To examine how well the model fits quantitatively to human data, we performed three experiments. In Experiments 1 and 2, we measured observers' perceptual uncertainty about stimulus positions and identities, respectively, for a target in isolation. In Experiment 3, observers identified a target that was flanked by two distractors. We found that about half of the errors in Experiment 3 could be accounted for by the perceptual uncertainty measured in Experiments 1 and 2. The remainder of the errors could be accounted for by assuming that uncertainty (i.e., the width of internal noise distribution) about stimulus positions and identities depends on flanker proximity. Our results provide a mathematical restatement of the crowding problem and support the hypothesis that crowding behavior is a sign of optimality rather than a perceptual defect.

Does temporal discounting explain unhealthy behavior? A systematic review and reinforcement learning perspective.

The tendency to make unhealthy choices is hypothesized to be related to an individual's temporal discount rate, the theoretical rate at which they devalue delayed rewards. Furthermore, a particular form of temporal discounting, hyperbolic discounting, has been proposed to explain why unhealthy behavior can occur despite healthy intentions. We examine these two hypotheses in turn. We first systematically review studies which investigate whether discount rates can predict unhealthy behavior. These studies reveal that high discount rates for money (and in some instances food or drug rewards) are associated with several unhealthy behaviors and markers of health status, establishing discounting as a promising predictive measure. We secondly examine whether intention-incongruent unhealthy actions are consistent with hyperbolic discounting. We conclude that intention-incongruent actions are often triggered by environmental cues or changes in motivational state, whose effects are not parameterized by hyperbolic discounting. We propose a framework for understanding these state-based effects in terms of the interplay of two distinct reinforcement learning mechanisms: a "model-based" (or goal-directed) system and a "model-free" (or habitual) system. Under this framework, while discounting of delayed health may contribute to the initiation of unhealthy behavior, with repetition, many unhealthy behaviors become habitual; if health goals then change, habitual behavior can still arise in response to environmental cues. We propose that the burgeoning development of computational models of these processes will permit further identification of health decision-making phenotypes.

GOTOBLAS一般矩阵乘法高效实现机制的研究

对GOTOBLAS库(GOTO)的实现机制,尤其是其中的一般矩阵乘法部分的实现进行了分析.结合近年来的一些研究成果,讨论了如何高效地实现矩阵相乘操作,把存储层次对程序性能的影响提高到计算模型的高度.对比实验表明,GOTO库的性能远远高于没有考虑存储层次的一般BLAS库.证明了GOTO库性能上的优越性和将存储层次引入计算模型的必要性.