Stress correlation function evolution in lattice solid elasto-dynamic models of shear and fracture zones and earthquake prediction

It has been argued that power-law time-to-failure fits for cumulative Benioff strain and an evolution in size-frequency statistics in the lead-up to large earthquakes are evidence that the crust behaves as a Critical Point (CP) system. If so, intermediate-term earthquake prediction is possible. However, this hypothesis has not been proven. If the crust does behave as a CP system, stress correlation lengths should grow in the lead-up to large events through the action of small to moderate ruptures and drop sharply once a large event occurs. However this evolution in stress correlation lengths cannot be observed directly. Here we show, using the lattice solid model to describe discontinuous elasto-dynamic systems subjected to shear and compression, that it is for possible correlation lengths to exhibit CP-type evolution. In the case of a granular system subjected to shear, this evolution occurs in the lead-up to the largest event and is accompanied by an increasing rate of moderate-sized events and power-law acceleration of Benioff strain release. In the case of an intact sample system subjected to compression, the evolution occurs only after a mature fracture system has developed. The results support the existence of a physical mechanism for intermediate-term earthquake forecasting and suggest this mechanism is fault-system dependent. This offers an explanation of why accelerating Benioff strain release is not observed prior to all large earthquakes. The results prove the existence of an underlying evolution in discontinuous elasto-dynamic, systems which is capable of providing a basis for forecasting catastrophic failure and earthquakes.

Simulation of the load-unload response ratio and critical sensitivity in the lattice solid model

The Load-Unload Response Ratio (LURR) method is an intermediate-term earthquake prediction approach that has shown considerable promise. It involves calculating the ratio of a specified energy release measure during loading and unloading where loading and unloading periods are determined from the earth tide induced perturbations in the Coulomb Failure Stress on optimally oriented faults. In the lead-up to large earthquakes, high LURR values are frequently observed a few months or years prior to the event. These signals may have a similar origin to the observed accelerating seismic moment release (AMR) prior to many large earthquakes or may be due to critical sensitivity of the crust when a large earthquake is imminent. As a first step towards studying the underlying physical mechanism for the LURR observations, numerical studies are conducted using the particle based lattice solid model (LSM) to determine whether LURR observations can be reproduced. The model is initialized as a heterogeneous 2-D block made up of random-sized particles bonded by elastic-brittle links. The system is subjected to uniaxial compression from rigid driving plates on the upper and lower edges of the model. Experiments are conducted using both strain and stress control to load the plates. A sinusoidal stress perturbation is added to the gradual compressional loading to simulate loading and unloading cycles and LURR is calculated. The results reproduce signals similar to those observed in earthquake prediction practice with a high LURR value followed by a sudden drop prior to macroscopic failure of the sample. The results suggest that LURR provides a good predictor for catastrophic failure in elastic-brittle systems and motivate further research to study the underlying physical mechanisms and statistical properties of high LURR values. The results provide encouragement for earthquake prediction research and the use of advanced simulation models to probe the physics of earthquakes.

Long-range automaton models of earthquakes: Power-law accelerations, correlation evolution, and mode-switching

We introduce a conceptual model for the in-plane physics of an earthquake fault. The model employs cellular automaton techniques to simulate tectonic loading, earthquake rupture, and strain redistribution. The impact of a hypothetical crustal elastodynamic Green's function is approximated by a long-range strain redistribution law with a r(-p) dependance. We investigate the influence of the effective elastodynamic interaction range upon the dynamical behaviour of the model by conducting experiments with different values of the exponent (p). The results indicate that this model has two distinct, stable modes of behaviour. The first mode produces a characteristic earthquake distribution with moderate to large events preceeded by an interval of time in which the rate of energy release accelerates. A correlation function analysis reveals that accelerating sequences are associated with a systematic, global evolution of strain energy correlations within the system. The second stable mode produces Gutenberg-Richter statistics, with near-linear energy release and no significant global correlation evolution. A model with effectively short-range interactions preferentially displays Gutenberg-Richter behaviour. However, models with long-range interactions appear to switch between the characteristic and GR modes. As the range of elastodynamic interactions is increased, characteristic behaviour begins to dominate GR behaviour. These models demonstrate that evolution of strain energy correlations may occur within systems with a fixed elastodynamic interaction range. Supposing that similar mode-switching dynamical behaviour occurs within earthquake faults then intermediate-term forecasting of large earthquakes may be feasible for some earthquakes but not for others, in alignment with certain empirical seismological observations. Further numerical investigation of dynamical models of this type may lead to advances in earthquake forecasting research and theoretical seismology.

Simulation of the micro-physics of rocks using LSMearth

The particle-based Lattice Solid Model (LSM) was developed to provide a basis to study the physics of rocks and the nonlinear dynamics of earthquakes (MORA and PLACE, 1994; PLACE and MORA, 1999). A new modular and flexible LSM approach has been developed that allows different microphysics to be easily included in or removed from the model. The approach provides a virtual laboratory where numerical experiments can easily be set up and all measurable quantities visualised. The proposed approach provides a means to simulate complex phenomena such as fracturing or localisation processes, and enables the effect of different micro-physics on macroscopic behaviour to be studied. The initial 2-D model is extended to allow three-dimensional simulations to be performed and particles of different sizes to be specified. Numerical bi-axial compression experiments under different confining pressure are used to calibrate the model. By tuning the different microscopic parameters (such as coefficient of friction, microscopic strength and distribution of grain sizes), the macroscopic strength of the material and can be adjusted to be in agreement with laboratory experiments, and the orientation of fractures is consistent with the theoretical value predicted based on Mohr-Coulomb diagram. Simulations indicate that 3-D numerical models have different macroscopic properties than in 2-D and, hence, the model must be recalibrated for 3-D simulations. These numerical experiments illustrate that the new approach is capable of simulating typical rock fracture behaviour. The new model provides a basis to investigate nucleation, rupture and slip pulse propagation in complex fault zones without the previous model limitations of a regular low-level surface geometry and being restricted to two-dimensions.

Simulation of the influence of rate- and state-dependent friction on the macroscopic behavior of complex fault zones with the lattice solid model

In order to understand the earthquake nucleation process, we need to understand the effective frictional behavior of faults with complex geometry and fault gouge zones. One important aspect of this is the interaction between the friction law governing the behavior of the fault on the microscopic level and the resulting macroscopic behavior of the fault zone. Numerical simulations offer a possibility to investigate the behavior of faults on many different scales and thus provide a means to gain insight into fault zone dynamics on scales which are not accessible to laboratory experiments. Numerical experiments have been performed to investigate the influence of the geometric configuration of faults with a rate- and state-dependent friction at the particle contacts on the effective frictional behavior of these faults. The numerical experiments are designed to be similar to laboratory experiments by DIETERICH and KILGORE (1994) in which a slide-hold-slide cycle was performed between two blocks of material and the resulting peak friction was plotted vs. holding time. Simulations with a flat fault without a fault gouge have been performed to verify the implementation. These have shown close agreement with comparable laboratory experiments. The simulations performed with a fault containing fault gouge have demonstrated a strong dependence of the critical slip distance D-c on the roughness of the fault surfaces and are in qualitative agreement with laboratory experiments.

Parallel simulation system for earthquake generation: Fault analysis modules and parallel coupling analysis

Solid earth simulations have recently been developed to address issues such as natural disasters, global environmental destruction and the conservation of natural resources. The simulation of solid earth phenomena involves the analysis of complex structures including strata, faults, and heterogeneous material properties. Simulation of the generation and cycle of earthquakes is particularly important, but such simulations require the analysis of complex fault dynamics. GeoFEM is a parallel finite-element analysis system intended for solid earth field phenomena problems. This paper describes recent development in the GeoFEM project for the simulation of earthquake generation and cycles.

Tool support for testing concurrent Java components

Concurrent programs are hard to test due to the inherent nondeterminism. This paper presents a method and tool support for testing concurrent Java components. Too[ support is offered through ConAn (Concurrency Analyser), a too] for generating drivers for unit testing Java classes that are used in a multithreaded context. To obtain adequate controllability over the interactions between Java threads, the generated driver contains threads that are synchronized by a clock. The driver automatically executes the calls in the test sequence in the prescribed order and compares the outputs against the expected outputs specified in the test sequence. The method and tool are illustrated in detail on an asymmetric producer-consumer monitor. Their application to testing over 20 concurrent components, a number of which are sourced from industry and were found to contain faults, is presented and discussed.

Conselhos municipais de pol??ticas p??blicas: uma an??lise explorat??ria

Os Conselhos Gestores s??o f??runs h??bridos onde se viabiliza a participa????o popular no desenho das pol??ticas p??blicas, nas negocia????es de interesses da coletividade, na elabora????o de programas e projetos sociais e na fiscaliza????o das a????es governamentais. O significado e a dimens??o dos Conselhos para a democracia participativa s??o enormes, justificando a import??ncia da realiza????o deste estudo, que se baseou na an??lise explorat??ria de 12 Conselhos locais do munic??pio mineiro de Vi??osa, com o objetivo de avaliar o desempenho dos mesmos. A avalia????o do desempenho levou em considera????o os mesmos par??metros dimensionais, tanto para a coleta de dados prim??rios quanto para a coleta secund??ria. A coleta de dados prim??rios foi realizada a partir da aplica????o de question??rios semi-estruturados aos presidentes dos Conselhos em an??lise. Utilizou-se o programa SPSS, vers??o 15.0, para an??lise estat??stica das quest??es objetivas dos question??rios e a t??cnica de an??lise de conte??do para exame das quest??es abertas. Ap??s essa etapa, realizou-se um workshop com os presidentes dos Conselhos, visando ?? obten????o de novos dados e informa????es. Os Conselhos municipais analisados apresentaram resultados pouco discrepantes entre a teoria aplicada ao tema e a sua efetiva pr??tica no campo p??blico. Contudo, a pesquisa revelou que o grau de desenvolvimento institucional dos Conselhos n??o ?? homog??neo, ou seja, h?? alguns melhores gestores que outros. A escolha independente e democr??tica dos membros n??o-governamentais dos Conselhos em Vi??osa revelou o seu grau de independ??ncia do Poder Executivo. Por??m, a capacita????o de conselheiros precisa ser implementada para evitar uma desfigura????o dos Conselhos. No que tange ?? governan??a, destacouse em Vi??osa o seu grau e formas de aplicabilidade observadas na gest??o de v??rias pol??ticas. Da mesma forma, foi observado um n??vel de governabilidade que confere legitimidade ??s pol??ticas implementadas. Por fim, verificou-se que a efetividade da accountability societal tem sido instrumentalizada pelos Conselhos no ??mbito das diversas pol??ticas setoriais. J?? os dados secund??rios da an??lise foram obtidos por meio das s??nteses dos relat??rios de fiscaliza????o de munic??pios do Estado de Minas Gerais, realizadas pela Controladoria Geral da Uni??o. Foram identificados todos os registros pertinentes aos Conselhos Gestores Municipais do Estado de Minas Gerais, no per??odo de 2003 a 2006. Verificou-se que os maiores problemas se referem aos Conselhos Municipais de Sa??de e Assist??ncia Social. Entre as in??meras falhas apontadas, destacam-se problemas graves na constitui????o e operacionaliza????o dos Conselhos, resultando na inoper??ncia desses mecanismos nos munic??pios fiscalizados. A avalia????o do desempenho dos Conselhos locais de Vi??osa possibilitou concluir que esses mecanismos apresentaram um desempenho bem satisfat??rio na gest??o e controle das pol??ticas p??blicas no munic??pio.

Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Analisador de vibrações de dois canais baseado em computador

O presente trabalho teve como principal objectivo o desenvolvimento de um analisador de vibrações de dois canais baseado em computador, para a realização de diagnóstico no âmbito do controlo de condição de máquinas. Foi desenvolvida uma aplicação num computador comum, no software LabVIEW, que através de transdutores de aceleração do tipo MEMS conectados via USB, faz a recolha de dados de vibração e procede ao seu processamento e apresentação ao utilizador. As ferramentas utilizadas para o processamento de dados são ferramentas comuns encontradas em vários analisadores de vibrações disponíveis no mercado. Estas podem ser: gráficos de espectro de frequência, sinal no tempo, cascata ou valores de nível global de vibração, entre outras. Apesar do analisador desenvolvido não apresentar inovação nas ferramentas de análise adoptadas, este pretende ser distinguido pelo baixo custo, simplicidade e carácter didáctico. Este trabalho vem evidenciar as vantagens, desvantagens e potencialidades de um analisador desta natureza. São tiradas algumas conclusões quanto à sua capacidade de diagnóstico de avarias, capacidades como ferramenta didáctica, sensores utilizados e linguagem de programação escolhida. Como conclusões principais, o trabalho revela que os sensores escolhidos não são os indicados para efectuar o diagnóstico de avarias em ambiente industrial, contudo são ideais para tornar este analisador numa boa ferramenta didáctica e de treino.

Manutenção proactiva de sistemas AVAC com recurso aos sistemas inteligentes multiagente

Nos tempos actuais os equipamentos para Aquecimento Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) ocupam um lugar de grande importância na concepção, desenvolvimento e manutenção de qualquer edifício por mais pequeno que este seja. Assim, surge a necessidade premente de racionalizar os consumos energéticos optimizando-os. A alta fiabilidade desejada nestes sistemas obriga-nos cada vez mais a descobrir formas de tornar a sua manutenção mais eficiente, pelo que é necessário prevenir de uma forma proactiva todas as falhas que possam prejudicar o bom desempenho destas instalações. Como tal, torna-se necessário detectar estas falhas/anomalias, sendo imprescíndivel que nos antecipemos a estes eventos prevendo o seu acontecimento num horizonte temporal pré-definido, permitindo actuar o mais cedo possível. É neste domínio que a presente dissertação tenta encontrar soluções para que a manutenção destes equipamentos aconteça de uma forma proactiva e o mais eficazmente possível. A ideia estruturante é a de tentar intervir ainda numa fase incipiente do problema, alterando o comportamento dos equipamentos monitorizados, de uma forma automática, com recursos a agentes inteligentes de diagnóstico de falhas. No caso em estudo tenta-se adaptar de forma automática o funcionamento de uma Unidade de Tratamento de Ar (UTA) aos desvios/anomalias detectadas, promovendo a paragem integral do sistema apenas como último recurso. A arquitectura aplicada baseia-se na utilização de técnicas de inteligência artificial, nomeadamente dos sistemas multiagente. O algoritmo utilizado e testado foi construído em Labview®, utilizando um kit de ferramentas de controlo inteligente para Labview®. O sistema proposto é validado através de um simulador com o qual se conseguem reproduzir as condições reais de funcionamento de uma UTA.

Controlo tolerante a falhas de um canal de rega

A presente dissertação pretende conceber e implementar um sistema de controlo tolerante a falhas, no canal experimental de rega da Universidade de Évora, utilizando um modelo implementado em MATLAB/SIMULINK®. Como forma de responder a este desafio, analisaram-se várias técnicas de diagnóstico de falhas, tendo-se optado por técnicas baseadas em redes neuronais para o desenvolvimento de um sistema de detecção e isolamento de falhas no canal de rega, sem ter em conta o tipo de sistema de controlo utilizado. As redes neuronais foram, assim, os processadores não lineares utilizados e mais aconselhados em situações onde exista uma abundância de dados do processo, porque aprendem por exemplos e são suportadas por teorias estatísticas e de optimização, focando não somente o processamento de sinais, como também expandindo os horizontes desse processamento. A ênfase dos modelos das redes neuronais está na sua dinâmica, na sua estabilidade e no seu comportamento. Portanto, o trabalho de investigação do qual resultou esta Dissertação teve como principais objectivos o desenvolvimento de modelos de redes neuronais que representassem da melhor forma a dinâmica do canal de rega, de modo a obter um sistema de detecção de falhas que faça uma comparação entre os valores obtidos nos modelos e no processo. Com esta diferença de valores, da qual resultará um resíduo, é possível desenvolver tanto o sistema de detecção como de isolamento de falhas baseados nas redes neuronais, possibilitando assim o desenvolvimento dum sistema de controlo tolerante a falhas, que engloba os módulos de detecção, de isolamento/diagnóstico e de reconfiguração do canal de rega. Em síntese, na Dissertação realizada desenvolveu-se um sistema que permite reconfigurar o processo em caso de ocorrência de falhas, melhorando significativamente o desempenho do canal de rega.

Comportamento dinâmico da rede eléctrica da ilha de São Vicente em Cabo Verde: estabilidade de tensão

Neste trabalho é efectuado, não só o diagnóstico em regime permanente, mas também o estudo, simulação e análise do comportamento dinâmico da rede eléctrica da ilha de São Vicente em Cabo Verde. Os estudos de estabilidade transitória desempenham um importante papel, tanto no planeamento como na operação dos sistemas de potência. Tais estudos são realizados, em grande parte, através de simulação digital no domínio do tempo, utilizando integração numérica para resolver as equações não-lineares que modelam a dinâmica do sistema e dependem da existência de registos reais de perturbação (ex: osciloperturbografia). O objectivo do trabalho será também verificar a aplicabilidade dos requisitos técnicos que as unidades geradoras devem ter, no que concerne ao controlo de tensão, estabelecidos na futura regulamentação europeia desenvolvida pela ENTSO-E (European Network Transmission System Operator for Electricity). De entre os requisitos analisou-se a capacidade das máquinas existentes suportarem cavas de tensão decorrentes de curto-circuitos trifásicos simétricos, Fault Ride Through, no ponto de ligação à rede. Identificaram-se para o efeito os factores que influenciam a estabilidade desta rede, em regime perturbado nomeadamente: (i) duração do defeito, (ii) caracterização da carga, com e sem a presença do sistema de controlo de tensão (AVR) em unidades de geração síncronas. Na ausência de registos reais sobre o comportamento do sistema, conclui-se que este é sensível à elasticidade das cargas em particular do tipo potência constante, existindo risco de perda de estabilidade, neste caso, para defeitos superiores a 5ms sem AVR. A existência de AVR nesta rede afigura-se como indispensável para garantir estabilidade de tensão sendo contudo necessário proceder a uma correcta parametrização.

Design of a sea-level tsunami detection network for the Gulf of Cadiz

The devastating impact of the Sumatra tsunami of 26 December 2004, raised the question for scientists of how to forecast a tsunami threat. In 2005, the IOC-UNESCO XXIII assembly decided to implement a global tsunami warning system to cover the regions that were not yet protected, namely the Indian Ocean, the Caribbean and the North East Atlantic, the Mediterranean and connected seas (the NEAM region). Within NEAM, the Gulf of Cadiz is the more sensitive area, with an important record of devastating historical events. The objective of this paper is to present a preliminary design for a reliable tsunami detection network for the Gulf of Cadiz, based on a network of sea-level observatories. The tsunamigenic potential of this region has been revised in order to define the active tectonic structures. Tsunami hydrodynamic modeling and GIS technology have been used to identify the appropriate locations for the minimum number of sea-level stations. Results show that 3 tsunameters are required as the minimum number of stations necessary to assure an acceptable protection to the large coastal population in the Gulf of Cadiz. In addition, 29 tide gauge stations could be necessary to fully assess the effects of a tsunami along the affected coasts of Portugal, Spain and Morocco.

Evaluating Tsunami Impact on the Gulf of Cadiz Coast (Northeast Atlantic).

The Gulf of Cadiz coasts are exposed to tsunamis. Emergency planning tools are now taking into account this fact, especially because a series of historical occurrences were strikingly significant, having left strong evidence behind, in the mareographic records, the geological evidence or simply the memory of the populations. The study area is a strip along the Algarve coast, south Portugal, an area known to have been heavily impacted by the 1 November 1755 event. In this study we use two different tsunami scenarios generated by the rupture of two thrust faults identified in the area, corresponding to 8.1-8.3 magnitude earthquakes. Tsunami propagation and inundation computation is performed using a non-linear shallow water code with bottom friction. Numerical modeling results are presented in terms of flow depth and current velocity with maximum values of 7 m and 8 m/s for inundation depth and flow speed, respectively. These results constitute a valuable tool for local authorities, emergency and decision planners to define the priority zones where tsunami mitigation measures must be implemented and to develop tsunami-resilient communities.