Three-dimensional nonlinear inelastic analysis of steel moment-frame buildings damaged by earthquake excitations

The Northridge earthquake of January 17, 1994, highlighted the two previously known problems of premature fracturing of connections and the damaging capabilities of near-source ground motion pulses. Large ground motions had not been experienced in a city with tall steel moment-frame buildings before. Some steel buildings exhibited fracture of welded connections or other types of structural degradation.

A sophisticated three-dimensional nonlinear inelastic program is developed that can accurately model many nonlinear properties commonly ignored or approximated in other programs. The program can assess and predict severely inelastic response of steel buildings due to strong ground motions, including collapse.

Three-dimensional fiber and segment discretization of elements is presented in this work. This element and its two-dimensional counterpart are capable of modeling various geometric and material nonlinearities such as moment amplification, spread of plasticity and connection fracture. In addition to introducing a three-dimensional element discretization, this work presents three-dimensional constraints that limit the number of equations required to solve various three-dimensional problems consisting of intersecting planar frames.

Two buildings damaged in the Northridge earthquake are investigated to verify the ability of the program to match the level of response and the extent and location of damage measured. The program is used to predict response of larger near-source ground motions using the properties determined from the matched response.

A third building is studied to assess three-dimensional effects on a realistic irregular building in the inelastic range of response considering earthquake directivity. Damage levels are observed to be significantly affected by directivity and torsional response.

Several strong recorded ground motions clearly exceed code-based levels. Properly designed buildings can have drifts exceeding code specified levels due to these ground motions. The strongest ground motions caused collapse if fracture was included in the model. Near-source ground displacement pulses can cause columns to yield prior to weaker-designed beams. Damage in tall buildings correlates better with peak-to-peak displacements than with peak-to-peak accelerations.

Dynamic response of tall buildings shows that higher mode response can cause more damage than first mode response. Leaking of energy between modes in conjunction with damage can cause torsional behavior that is not anticipated.

Various response parameters are used for all three buildings to determine what correlations can be made for inelastic building response. Damage levels can be dramatically different based on the inelastic model used. Damage does not correlate well with several common response parameters.

Realistic modeling of material properties and structural behavior is of great value for understanding the performance of tall buildings due to earthquake excitations.

Velocity resolved - scalar modeled simulations of high Schmidt number turbulent transport

The objective of this thesis is to develop a framework to conduct velocity resolved - scalar modeled (VR-SM) simulations, which will enable accurate simulations at higher Reynolds and Schmidt (Sc) numbers than are currently feasible. The framework established will serve as a first step to enable future simulation studies for practical applications. To achieve this goal, in-depth analyses of the physical, numerical, and modeling aspects related to Sc>>1 are presented, specifically when modeling in the viscous-convective subrange. Transport characteristics are scrutinized by examining scalar-velocity Fourier mode interactions in Direct Numerical Simulation (DNS) datasets and suggest that scalar modes in the viscous-convective subrange do not directly affect large-scale transport for high Sc. Further observations confirm that discretization errors inherent in numerical schemes can be sufficiently large to wipe out any meaningful contribution from subfilter models. This provides strong incentive to develop more effective numerical schemes to support high Sc simulations. To lower numerical dissipation while maintaining physically and mathematically appropriate scalar bounds during the convection step, a novel method of enforcing bounds is formulated, specifically for use with cubic Hermite polynomials. Boundedness of the scalar being transported is effected by applying derivative limiting techniques, and physically plausible single sub-cell extrema are allowed to exist to help minimize numerical dissipation. The proposed bounding algorithm results in significant performance gain in DNS of turbulent mixing layers and of homogeneous isotropic turbulence. Next, the combined physical/mathematical behavior of the subfilter scalar-flux vector is analyzed in homogeneous isotropic turbulence, by examining vector orientation in the strain-rate eigenframe. The results indicate no discernible dependence on the modeled scalar field, and lead to the identification of the tensor-diffusivity model as a good representation of the subfilter flux. Velocity resolved - scalar modeled simulations of homogeneous isotropic turbulence are conducted to confirm the behavior theorized in these a priori analyses, and suggest that the tensor-diffusivity model is ideal for use in the viscous-convective subrange. Simulations of a turbulent mixing layer are also discussed, with the partial objective of analyzing Schmidt number dependence of a variety of scalar statistics. Large-scale statistics are confirmed to be relatively independent of the Schmidt number for Sc>>1, which is explained by the dominance of subfilter dissipation over resolved molecular dissipation in the simulations. Overall, the VR-SM framework presented is quite effective in predicting large-scale transport characteristics of high Schmidt number scalars, however, it is determined that prediction of subfilter quantities would entail additional modeling intended specifically for this purpose. The VR-SM simulations presented in this thesis provide us with the opportunity to overlap with experimental studies, while at the same time creating an assortment of baseline datasets for future validation of LES models, thereby satisfying the objectives outlined for this work.

Full and Model-Reduced Structure-Preserving Simulation of Incompressible Fluids

This thesis outlines the construction of several types of structured integrators for incompressible fluids. We first present a vorticity integrator, which is the Hamiltonian counterpart of the existing Lagrangian-based fluid integrator. We next present a model-reduced variational Eulerian integrator for incompressible fluids, which combines the efficiency gains of dimension reduction, the qualitative robustness to coarse spatial and temporal resolutions of geometric integrators, and the simplicity of homogenized boundary conditions on regular grids to deal with arbitrarily-shaped domains with sub-grid accuracy.

Both these numerical methods involve approximating the Lie group of volume-preserving diffeomorphisms by a finite-dimensional Lie-group and then restricting the resulting variational principle by means of a non-holonomic constraint. Advantages and limitations of this discretization method will be outlined. It will be seen that these derivation techniques are unable to yield symplectic integrators, but that energy conservation is easily obtained, as is a discretized version of Kelvin's circulation theorem.

Finally, we outline the basis of a spectral discrete exterior calculus, which may be a useful element in producing structured numerical methods for fluids in the future.

Estimativa do erro de discretização analítico na solução de equações diferenciais utilizando o Método de Volumes Finitos

As análises de erros são conduzidas antes de qualquer projeto a ser desenvolvido. A necessidade do conhecimento do comportamento do erro numérico em malhas estruturadas e não-estruturadas surge com o aumento do uso destas malhas nos métodos de discretização. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi criar uma metodologia para analisar os erros de discretização gerados através do truncamento na Série de Taylor, aplicados às equações de Poisson e de Advecção-Difusão estacionárias uni e bidimensionais, utilizando-se o Método de Volumes Finitos em malhas do tipo Voronoi. A escolha dessas equações se dá devido a sua grande utilização em testes de novos modelos matemáticos e função de interpolação. Foram usados os esquemas Central Difference Scheme (CDS) e Upwind Difference Scheme(UDS) nos termos advectivos. Verificou-se a influência do tipo de condição de contorno e a posição do ponto gerador do volume na solução numérica. Os resultados analíticos foram confrontados com resultados experimentais para dois tipos de malhas de Voronoi, uma malha cartesiana e outra triangular comprovando a influência da forma do volume finito na solução numérica obtida. Foi percebido no estudo que a discretização usando o esquema CDS tem erros menores do que a discretização usando o esquema UDS conforme literatura. Também se percebe a diferença nos erros em volumes vizinhos nas malhas triangulares o que faz com que não se tenha uma uniformidade nos gráficos dos erros estudados. Percebeu-se que as malhas cartesianas com nó no centróide do volume tem menor erro de discretização do que malhas triangulares. Mas o uso deste tipo de malha depende da geometria do problema estudado

Fast Lattice Green's Function Methods for Viscous Incompressible Flows on Unbounded Domains

In this thesis, a collection of novel numerical techniques culminating in a fast, parallel method for the direct numerical simulation of incompressible viscous flows around surfaces immersed in unbounded fluid domains is presented. At the core of all these techniques is the use of the fundamental solutions, or lattice Green’s functions, of discrete operators to solve inhomogeneous elliptic difference equations arising in the discretization of the three-dimensional incompressible Navier-Stokes equations on unbounded regular grids. In addition to automatically enforcing the natural free-space boundary conditions, these new lattice Green’s function techniques facilitate the implementation of robust staggered-Cartesian-grid flow solvers with efficient nodal distributions and fast multipole methods. The provable conservation and stability properties of the appropriately combined discretization and solution techniques ensure robust numerical solutions. Numerical experiments on thin vortex rings, low-aspect-ratio flat plates, and spheres are used verify the accuracy, physical fidelity, and computational efficiency of the present formulations.

Análise de erros da equação de advecção unidimensional no Método de Volumes Finitos

Uma análise utilizando a série de Taylor é apresentada para se estimar a priori os erros envolvidos na solução numérica da equação de advecção unidimensional com termo fonte, através do Método dos Volumes Finitos em uma malha do tipo uniforme e uma malha não uniforme. Também faz-se um estudo a posteriori para verificar a magnitude do erro de discretização e corroborar os resultados obtidos através da análise a priori. Por meio da técnica de solução manufaturada tem-se uma solução analítica para o problema, a qual facilita a análise dos resultados numéricos encontrados, e estuda-se ainda a influência das funções de interpolação UDS e CDS e do parâmetro u na solução numérica.

Métodos espectronodais para cálculos de transporte de partículas neutras com fonte fixa na formulação de ordenadas discretas e multigrupo de energia

Um método espectronodal é desenvolvido para problemas de transporte de partículas neutras de fonte fixa, multigrupo de energia em geometria cartesiana na formulação de ordenadas discretas (SN). Para geometria unidimensional o método espectronodal multigrupo denomina-se método spectral Greens function (SGF) com o esquema de inversão nodal (NBI) que converge solução numérica para problemas SN multigrupo em geometria unidimensional, que são completamente livre de erros de truncamento espacial para ordem L de anisotropia de espalhamento desde que L < N. Para geometria X; Y o método espectronodal multigrupo baseia-se em integrações transversais das equações SN no interior dos nodos de discretização espacial, separadamente nas direções coordenadas x e y. Já que os termos de fuga transversal são aproximados por constantes, o método nodal resultante denomina-se SGF-constant nodal (SGF-CN), que é aplicado a problemas SN multigrupo de fonte fixa em geometria X; Y com espalhamento isotrópico. Resultados numéricos são apresentados para ilustrar a eficiência dos códigos SGF e SGF-CN e a precisão das soluções numéricas convergidas em cálculos de malha grossa.

Análise da resposta dinâmica experimental de uma passarela tubular mista, aço-concreto, submetida ao caminhar humano.

Este trabalho de pesquisa apresenta como objetivo principal o desenvolvimento de investigação experimental dinâmica sobre estrutura real de uma passarela tubular mista aço-concreto. O sistema estrutural objeto deste trabalho corresponde a uma passarela composta por três vãos (32,5m, 17,5m e 20,0m, respectivamente) e dois balanços (7,50m e 5,0m, respectivamente), com comprimento total de 82,5m. A passarela com estrutura contínua de aço com as ligações soldadas se apoia em quatro pórticos também de aço. Estruturalmente está constituída por duas treliças planas que se interligam através de contraventamentos horizontais fixados na corda superior e inferior da treliça e lajes de concreto, formando um sistema misto com interação completa. A estrutura está submetida correntemente à travessia de pedestres e ciclistas. Testes experimentais foram realizados sobre o sistema estrutural e confrontados com resultados numéricos. Para a modelagem numérica do sistema são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Os resultados experimentais são analisados de acordo com a metodologia desenvolvida, sendo realizada análise modal experimental para a determinação das propriedades dinâmicas: freqüências, modos e taxa de amortecimento, enquanto que os resultados da estrutura, em termos de aceleração de pico, são comparados com os valores limites propostos por diversos autores, normas e recomendações de projeto, para uma avaliação do desempenho da estrutura em relação a vibração quando solicitada pelo caminhar dos pedestres no que diz respeito a critério para conforto humano.

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

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

Análise estática e dinâmica de lajes nervuradas de concreto armado.

Nesta dissertação desenvolve-se um estudo sobre o comportamento estrutural de lajes nervuradas de concreto armado, tendo em mente o emprego destas em sistemas estruturais na engenharia civil, de forma viável sob o ponto de vista técnico e econômico. No cenário atual, diversos tipos de sistemas estruturais têm sido desenvolvidos, dentre estes as lajes nervuradas de concreto armado com base no sistema Reduzcon. Essas lajes nervuradas têm como principais características o baixo consumo de material e o peso próprio bastante reduzido. Este sistema utiliza cubas cilíndricas invertidas metálicas denominadas BRC (Barrote Redutor de Concreto), que suportam o concreto da laje. Assim sendo, este trabalho de pesquisa apresenta um estudo acerca da resposta estática e dinâmica do sistema estrutural em questão, em relação aos deslocamentos translacionais verticais e tensões; e, bem como, da resposta dinâmica do sistema sob o ponto de vista de conforto humano. Ênfase especial é dada às atividades humanas rítmicas, com base no emprego de modelos de carregamento que representem as ações inerentes à ginástica aeróbica. A definição das ações dinâmicas atuantes sobre os modelos estruturais foi feita com base em resultados de testes experimentais que levam em conta os efeitos de multidão. A análise numérica fundamenta-se na modelagem computacional do sistema, através do Método dos Elementos Finitos (MEF), de forma a representar apropriadamente o comportamento estrutural das lajes Reduzcon. São empregadas técnicas usuais de discretização, por meio do programa ANSYS. As vigas de bordo, nervuras e a laje de concreto são simuladas por elementos finitos sólidos tridimensionais.

Desenvolvimento e avaliação de novas abordagens de modelagem de processos de separação em leito móvel simulado

O Leito Móvel Simulado (LMS) é um processo de separação de compostos por adsorção muito eficiente, por trabalhar em um regime contínuo e também possuir fluxo contracorrente da fase sólida. Dentre as diversas aplicações, este processo tem se destacado na resolução de petroquímicos e principalmente na atualidade na separação de misturas racêmicas que são separações de um grau elevado de dificuldade. Neste trabalho foram propostas duas novas abordagens na modelagem do LMS, a abordagem Stepwise e a abordagem Front Velocity. Na modelagem Stepwise as colunas cromatográficas do LMS foram modeladas com uma abordagem discreta, onde cada uma delas teve seu domínio dividido em N células de mistura interligadas em série, e as concentrações dos compostos nas fases líquida e sólida foram simuladas usando duas cinéticas de transferência de massa distintas. Essa abordagem pressupõe que as interações decorrentes da transferência de massa entre as moléculas do composto nas suas fases líquida e sólida ocorram somente na superfície, de forma que com essa suposição pode-se admitir que o volume ocupado por cada molécula nas fases sólida e líquida é o mesmo, o que implica que o fator de residência pode ser considerado igual a constante de equilíbrio. Para descrever a transferência de massa que ocorre no processo cromatográfico a abordagem Front Velocity estabelece que a convecção é a fase dominante no transporte de soluto ao longo da coluna cromatográfica. O Front Velocity é um modelo discreto (etapas) em que a vazão determina o avanço da fase líquida ao longo da coluna. As etapas são: avanço da fase líquida e posterior transporte de massa entre as fases líquida e sólida, este último no mesmo intervalo de tempo. Desta forma, o fluxo volumétrico experimental é utilizado para a discretização dos volumes de controle que se deslocam ao longo da coluna porosa com a mesma velocidade da fase líquida. A transferência de massa foi representada por dois mecanismos cinéticos distintos, sem (tipo linear) e com capacidade máxima de adsorção (tipo Langmuir). Ambas as abordagens propostas foram estudadas e avaliadas mediante a comparação com dados experimentais de separação em LMS do anestésico cetamina e, posteriormente, com o fármaco Verapamil. Também foram comparados com as simulações do modelo de equilíbrio dispersivo para o caso da Cetamina, usado por Santos (2004), e para o caso do Verapamil (Perna 2013). Na etapa de caracterização da coluna cromatográfica as novas abordagens foram associadas à ferramenta inversa R2W de forma a determinar os parâmetros globais de transferência de massa apenas usando os tempos experimentais de residência de cada enantiômero na coluna de cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Na segunda etapa os modelos cinéticos desenvolvidos nas abordagens foram aplicados nas colunas do LMS com os valores determinados na caracterização da coluna cromatográfica, para a simulação do processo de separação contínua. Os resultados das simulações mostram boa concordância entre as duas abordagens propostas e os experimentos de pulso para a caracterização da coluna na separação enantiomérica da cetamina ao longo do tempo. As simulações da separação em LMS, tanto do Verapamil quando da Cetamina apresentam uma discrepância com os dados experimentais nos primeiros ciclos, entretanto após esses ciclos iniciais a correlação entre os dados experimentais e as simulações. Para o caso da separação da cetamina (Santos, 2004), a qual a concentração da alimentação era relativamente baixa, os modelos foram capazes de predizer o processo de separação com as cinéticas Linear e Langmuir. No caso da separação do Verapamil (Perna, 2013), onde a concentração da alimentação é relativamente alta, somente a cinética de Langmuir representou o processo, devido a cinética Linear não representar a saturação das colunas cromatográficas. De acordo como o estudo conduzido ambas as abordagens propostas mostraram-se ferramentas com potencial na predição do comportamento cromatográfico de uma amostra em um experimento de pulso, assim como na simulação da separação de um composto no LMS, apesar das pequenas discrepâncias apresentadas nos primeiros ciclos de trabalho do LMS. Além disso, podem ser facilmente implementadas e aplicadas na análise do processo, pois requer um baixo número de parâmetros e são constituídas de equações diferenciais ordinárias.

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.

Stability analysis and observer design for discrete-time SEIR epidemic models

This paper applies Micken's discretization method to obtain a discrete-time SEIR epidemic model. The positivity of the model along with the existence and stability of equilibrium points is discussed for the discrete-time case. Afterwards, the design of a state observer for this discrete-time SEIR epidemic model is tackled. The analysis of the model along with the observer design is faced in an implicit way instead of obtaining first an explicit formulation of the system which is the novelty of the presented approach. Moreover, some sufficient conditions to ensure the asymptotic stability of the observer are provided in terms of a matrix inequality that can be cast in the form of a LMI. The feasibility of the matrix inequality is proved, while some simulation examples show the operation and usefulness of the observer.

Implementação paralela de um código de elementos finitos em 2D para as Equações de Navier-Stokes para fluidos incompressíveis com transporte de escalares.

O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados.