Damage detection in civil structures using high-frequency seismograms

The dynamic properties of a structure are a function of its physical properties, and changes in the physical properties of the structure, including the introduction of structural damage, can cause changes in its dynamic behavior. Structural health monitoring (SHM) and damage detection methods provide a means to assess the structural integrity and safety of a civil structure using measurements of its dynamic properties. In particular, these techniques enable a quick damage assessment following a seismic event. In this thesis, the application of high-frequency seismograms to damage detection in civil structures is investigated.

Two novel methods for SHM are developed and validated using small-scale experimental testing, existing structures in situ, and numerical testing. The first method is developed for pre-Northridge steel-moment-resisting frame buildings that are susceptible to weld fracture at beam-column connections. The method is based on using the response of a structure to a nondestructive force (i.e., a hammer blow) to approximate the response of the structure to a damage event (i.e., weld fracture). The method is applied to a small-scale experimental frame, where the impulse response functions of the frame are generated during an impact hammer test. The method is also applied to a numerical model of a steel frame, in which weld fracture is modeled as the tensile opening of a Mode I crack. Impulse response functions are experimentally obtained for a steel moment-resisting frame building in situ. Results indicate that while acceleration and velocity records generated by a damage event are best approximated by the acceleration and velocity records generated by a colocated hammer blow, the method may not be robust to noise. The method seems to be better suited for damage localization, where information such as arrival times and peak accelerations can also provide indication of the damage location. This is of significance for sparsely-instrumented civil structures.

The second SHM method is designed to extract features from high-frequency acceleration records that may indicate the presence of damage. As short-duration high-frequency signals (i.e., pulses) can be indicative of damage, this method relies on the identification and classification of pulses in the acceleration records. It is recommended that, in practice, the method be combined with a vibration-based method that can be used to estimate the loss of stiffness. Briefly, pulses observed in the acceleration time series when the structure is known to be in an undamaged state are compared with pulses observed when the structure is in a potentially damaged state. By comparing the pulse signatures from these two situations, changes in the high-frequency dynamic behavior of the structure can be identified, and damage signals can be extracted and subjected to further analysis. The method is successfully applied to a small-scale experimental shear beam that is dynamically excited at its base using a shake table and damaged by loosening a screw to create a moving part. Although the damage is aperiodic and nonlinear in nature, the damage signals are accurately identified, and the location of damage is determined using the amplitudes and arrival times of the damage signal. The method is also successfully applied to detect the occurrence of damage in a test bed data set provided by the Los Alamos National Laboratory, in which nonlinear damage is introduced into a small-scale steel frame by installing a bumper mechanism that inhibits the amount of motion between two floors. The method is successfully applied and is robust despite a low sampling rate, though false negatives (undetected damage signals) begin to occur at high levels of damage when the frequency of damage events increases. The method is also applied to acceleration data recorded on a damaged cable-stayed bridge in China, provided by the Center of Structural Monitoring and Control at the Harbin Institute of Technology. Acceleration records recorded after the date of damage show a clear increase in high-frequency short-duration pulses compared to those previously recorded. One undamage pulse and two damage pulses are identified from the data. The occurrence of the detected damage pulses is consistent with a progression of damage and matches the known chronology of damage.

Crystals that count! Physical principles and experimental investigations of DNA tile self-assembly

Algorithmic DNA tiles systems are fascinating. From a theoretical perspective, they can result in simple systems that assemble themselves into beautiful, complex structures through fundamental interactions and logical rules. As an experimental technique, they provide a promising method for programmably assembling complex, precise crystals that can grow to considerable size while retaining nanoscale resolution. In the journey from theoretical abstractions to experimental demonstrations, however, lie numerous challenges and complications.

In this thesis, to examine these challenges, we consider the physical principles behind DNA tile self-assembly. We survey recent progress in experimental algorithmic self-assembly, and explain the simple physical models behind this progress. Using direct observation of individual tile attachments and detachments with an atomic force microscope, we test some of the fundamental assumptions of the widely-used kinetic Tile Assembly Model, obtaining results that fit the model to within error. We then depart from the simplest form of that model, examining the effects of DNA sticky end sequence energetics on tile system behavior. We develop theoretical models, sequence assignment algorithms, and a software package, StickyDesign, for sticky end sequence design.

As a demonstration of a specific tile system, we design a binary counting ribbon that can accurately count from a programmable starting value and stop growing after overflowing, resulting in a single system that can construct ribbons of precise and programmable length. In the process of designing the system, we explain numerous considerations that provide insight into more general tile system design, particularly with regards to tile concentrations, facet nucleation, the construction of finite assemblies, and design beyond the abstract Tile Assembly Model.

Finally, we present our crystals that count: experimental results with our binary counting system that represent a significant improvement in the accuracy of experimental algorithmic self-assembly, including crystals that count perfectly with 5 bits from 0 to 31. We show some preliminary experimental results on the construction of our capping system to stop growth after counters overflow, and offer some speculation on potential future directions of the field.

Essays in Behavioral Decision Theory

This thesis studies decision making under uncertainty and how economic agents respond to information. The classic model of subjective expected utility and Bayesian updating is often at odds with empirical and experimental results; people exhibit systematic biases in information processing and often exhibit aversion to ambiguity. The aim of this work is to develop simple models that capture observed biases and study their economic implications.

In the first chapter I present an axiomatic model of cognitive dissonance, in which an agent's response to information explicitly depends upon past actions. I introduce novel behavioral axioms and derive a representation in which beliefs are directionally updated. The agent twists the information and overweights states in which his past actions provide a higher payoff. I then characterize two special cases of the representation. In the first case, the agent distorts the likelihood ratio of two states by a function of the utility values of the previous action in those states. In the second case, the agent's posterior beliefs are a convex combination of the Bayesian belief and the one which maximizes the conditional value of the previous action. Within the second case a unique parameter captures the agent's sensitivity to dissonance, and I characterize a way to compare sensitivity to dissonance between individuals. Lastly, I develop several simple applications and show that cognitive dissonance contributes to the equity premium and price volatility, asymmetric reaction to news, and belief polarization.

The second chapter characterizes a decision maker with sticky beliefs. That is, a decision maker who does not update enough in response to information, where enough means as a Bayesian decision maker would. This chapter provides axiomatic foundations for sticky beliefs by weakening the standard axioms of dynamic consistency and consequentialism. I derive a representation in which updated beliefs are a convex combination of the prior and the Bayesian posterior. A unique parameter captures the weight on the prior and is interpreted as the agent's measure of belief stickiness or conservatism bias. This parameter is endogenously identified from preferences and is easily elicited from experimental data.

The third chapter deals with updating in the face of ambiguity, using the framework of Gilboa and Schmeidler. There is no consensus on the correct way way to update a set of priors. Current methods either do not allow a decision maker to make an inference about her priors or require an extreme level of inference. In this chapter I propose and axiomatize a general model of updating a set of priors. A decision maker who updates her beliefs in accordance with the model can be thought of as one that chooses a threshold that is used to determine whether a prior is plausible, given some observation. She retains the plausible priors and applies Bayes' rule. This model includes generalized Bayesian updating and maximum likelihood updating as special cases.

Geomorphology of a Portion of the Easternmost Ventura Basin

The Humphreys Quadrangle is a portion of the easternmost Ventura Basin underlain by a thick series of Tertiary sedimentary rocks. On these rocks a great variety of geomorphic forms have been molded by the processes of running water typical of a semi-arid climate and by several types of mass movement. Among the different categories of mass movement present, a new type, the siltflow, was observed.

The geomorphic forms of special interest present in the quadrangle are rock cones, open canyonheads, asymmetric canyons, and stream terraces and straths. The author urges the adoption of the definition of strath as that part of an old dissected valley floor, including the floors of tributary valleys, which was not part of the floodplain of the main valley stream.

An old erosion surface, the Puckett Mesa Surface, is present in the Humphreys Quadrangle which is correlative with certain of the older stream terraces. By correlating the variation of gradient and of fill of the stream terraces with post –Wisconsin climatic fluctuations the age of the Puckett Mesa Surface is set at approximately 6000 B.C. This correlation sets the probable age of the older Rancho La Brea deposits at 6000 to 8000 B. C. and the probable age of the Carpenteria brea deposits at 1000 to 1 B. C.

Análise dinâmica de plataformas de aço para produção de petróleo com base na consideração do efeito da interação solo-estrutura

Atualmente, as tendências competitivas do mercado mundial, têm forçado os engenheiros estruturais a desenvolver soluções de projeto que acarretem em menor peso e custo de execução. Uma consequência direta desta nova tendência de projeto é o aumento considerável de problemas relacionados a vibrações de piso indesejadas. Por esta razão, os sistemas estruturais de pisos podem tornar-se vulneráveis a vibrações excessivas, como por exemplo, aquelas induzidas por equipamentos mecânicos (máquinas rotativas). Deste modo, este trabalho objetiva investigar o comportamento dinâmico de uma plataforma de aço para produção de petróleo, localizada na bacia de Santos (campo de Merluza), São Paulo, Brasil. Para tal, investiga-se a influência das ações dinâmicas oriundas dos equipamentos mecânicos localizados sobre os decks metálicos da plataforma. A resposta dinâmica do modelo estrutural foi determinada através de um extenso estudo numérico, a partir da análise de suas frequências naturais, deslocamentos, velocidades e acelerações de pico. Nesta investigação, as cargas dinâmicas provenientes dos equipamentos mecânicos (máquinas rotativas) foram aplicadas sobre o piso metálico do sistema estrutural. Com base obtenção da resposta dinâmica da estrutura (deslocamentos, velocidades e acelerações), foi possível avaliar a performance do modelo estrutural em termos de critérios de conforto humano e das tolerâncias máximas referentes aos equipamentos mecânicos, de acordo com normas e recomendações de projeto.

Avaliação numérica de estabilidade lateral de vigas casteladas

Restrições de espaço e altura são frequentemente impostas às edificações residenciais, comerciais, industriais, depósitos e galpões com um ou diversos pavimentos em função de aspectos de regulamentos regionais, técnicos, econômicos ou ainda de natureza estética. A fim de proporcionar a passagem de tubulações e dutos de grande diâmetro sob vigas de aço, grandes alturas são normalmente requeridas, demandando por vezes, magnitudes de altura inviáveis entre pavimentos de edificações. Diversas soluções estruturais podem ser utilizadas para equacionar tais obstáculos, onde dentre outras, pode-se citar as vigas com inércia variável, stub-girders, treliças mistas, vigas misuladas e vigas com uma ou múltiplas aberturas na alma com geometrias variadas. No que tange às vigas casteladas, solução estrutural pautada neste estudo, a estabilidade é sempre um motivo de preocupação tipicamente durante a construção quando os contraventamentos laterais ainda não estão instalados. De qualquer forma, o comprimento destravado em geral alcançado pelos vãos destas vigas, são longos o suficiente para que a instabilidade ocorra. Todavia, o acréscimo substancial da resistência à flexão de tais membros devido ao aumento da altura oriundo de seu processo fabril em relação ao perfil matriz, aliada a economia de material e utilidade fim de serviço, garante a atratividade no aproveitamento destas, para grandes vãos junto aos projetistas. Não obstante, este aumento proporcional no comprimento dos vãos faz com que a instabilidade lateral ganhe importância especial. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver um modelo numérico que permita a realização de uma avaliação paramétrica a partir da calibração do modelo com resultados experimentais, efetuar a análise do comportamento de vigas casteladas e verificar seus mecanismos de falha, considerando comportamento elasto-plástico, além das não-linearidades geométricas. Também é objetivo deste trabalho, avaliar, quantificar e determinar a influência das diferenças geométricas características das vigas casteladas em relação às vigas maciças com as mesmas dimensões, analisando e descrevendo o comportamento estrutural destas vigas de aço para diversos comprimentos de vãos. A metodologia empregada para tal estudo baseou-se em uma análise paramétrica com o auxílio do método numérico dos elementos finitos.

Modelagem do comportamento dinâmico de edifícios mistos (aço-concreto) submetidos à ação do vento.

Com base em um cenário econômico favorável combinado aos avanços tecnológicos das ciências dos materiais e processos de construção, nas últimas três décadas, as cidades brasileiras têm apresentado um crescimento substancial, no que diz respeito à construção de edifícios residenciais e comerciais de múltiplos andares. Atualmente, estes edifícios apresentam níveis de esbeltez elevados e têm sido construídos com estruturas cada vez mais ousadas e que englobam a experiência e o conhecimento dos engenheiros de estruturas. Como o principal objetivo dos projetistas está associado à concepção de estruturas mais leves, o projeto estrutural requer um conhecimento teórico substancial a fim de tornar compatíveis os requisitos arquitetônicos com as condições necessárias para a estabilidade. Assim sendo, o objetivo desta dissertação de mestrado é o de investigar o comportamento estrutural estático e dinâmico (linear e não linear) de um edifício misto (aço-concreto) de 20 pavimentos. Para tal, o estudo apresenta os resultados de análises estáticas e dinâmicas lineares e não lineares para ações de serviço. O comportamento estrutural do edifício, quando submetido às ações dinâmicas induzidas pelo vento, também foi investigado. Os resultados revelam que edifícios esbeltos merecem atenção especial, no que diz respeito à concepção do projeto estrutural, sendo que seu comportamento deve ser verificado através de metodologias completas que incluam análises do tipo estática e dinâmica (lineares e não lineares).

Estudo do conforto humano em pisos mistos (aço-concreto) submetidos a ações humanas rítmicas.

Este trabalho de pesquisa objetiva o estudo do comportamento dinâmico de pisos mistos (aço-concreto), em edificações de andares múltiplos, sob o ponto de vista de conforto humano, quando essas estruturas encontram-se submetidas às atividades rítmicas provenientes dos seres humanos. A definição das ações dinâmicas atuantes sobre os modelos estruturais foi feita com base em resultados experimentais, com os indivíduos praticando atividades rítmicas e não rítmicas associadas à ginástica aeróbica e saltos à vontade. Os modelos estruturais investigados baseiam-se em edificações mistas de andares múltiplos. O sistema estrutural é do tipo misto (aço-concreto), composto por vigas de aço em seção do tipo I e laje de concreto armado. A análise fundamenta-se na modelagem computacional dos sistemas estruturais, através do Método dos Elementos Finitos (MEF). São empregadas técnicas usuais de discretização, por meio do emprego do programa ANSYS. Uma análise paramétrica foi desenvolvida sobre três modelos estruturais, com dois, três e quatro pavimentos. Os valores das acelerações máximas encontradas na análise são confrontados e comparados com os limites propostos por recomendações internacionais. Os resultados obtidos mostram que os limites recomendados em diversas normas de projeto foram ultrapassados. Esses resultados demonstram que atividades rítmicas oriundas dos seres humanos podem gerar acelerações de pico elevadas, violando critérios de projeto, no que concerne ao conforto humano. Foi observado também que estas ações dinâmicas podem comprometer o conforto humano em pisos adjacentes, próximos do local onde a carga dinâmica está sendo efetivamente aplicada.

All their eggs in one basket: a rocky reef nursery for the longnose skate (Raja rhina Jordan & Gilbert, 1880) in the southern California Bight

Skates (family Rajidae) are oviparous and lay tough, thick-walled eggs. At least some skate species lay their eggs in spatially restricted nursery grounds where embryos develop and hatch (Hitz, 1964; Hoff, 2007). After hatching, neonates may quickly leave the nursery grounds (Hoff, 2007). Egg densities in these small areas may be quite high. As an example, in the eastern Bering Sea, a site <2 km2 harbored eggs of Alaska skate (Bathyraja parmifera) exceeding 500,000/km2. All skate nursery grounds have been identified over soft sea floors (Lucifora and García, 2004; Hoff, 2007).

Análise dinâmica não-linear de pisos mistos (aço-concreto) submetidos a ações humanas rítmicas.

Atualmente, o crescimento dos problemas de vibrações excessivas sobre pisos mistos (aço-concreto) tem conduzido à necessidade de desenvolvimento de critérios específicos para projetos estruturais submetidos à ação de atividades humanas rítmicas. Com base no desenvolvimento desta dissertação de mestrado, objetiva-se, principalmente, verificar a influência das ligações estruturais (ligações viga-viga), sobre a resposta dinâmica não-linear de pisos mistos (aço-concreto) de edificações, quando submetidos a cargas dinâmicas humanas rítmicas. Deste modo, o carregamento dinâmico empregado para a simulação das atividades humanas sobre o modelo estrutural investigado foi obtido através de testes experimentais com indivíduos praticando atividades rítmicas e não rítmicas. O modelo analisado nesta dissertação corresponde a um piso misto (aço-concreto) com uma área total de 1600m2 e consiste de um ambiente onde serão desenvolvidas atividades de ginástica aeróbica. O sistema estrutural é constituído por lajes de concreto armado apoiadas sobre vigas de aço, simulando o comportamento de um sistema estrutural misto (aço-concreto) com interação total. A metodologia de análise desenvolvida emprega técnicas usuais de discretização presentes no método dos elementos finitos, com base no emprego do programa ANSYS. A modelagem do sistema contempla ligações estruturais do tipo rígidas, semirrígidas e flexíveis. Os valores das acelerações de pico foram comparados com os limites recomendados por normas de projeto, baseando-se em critérios de conforto humano. As conclusões alcançadas ao longo deste trabalho de pesquisa revelam que as ligações estruturais do tipo viga-viga não apresentam influência significativa, no que diz respeito a resposta dinâmica não-linear da estrutura. Por outro lado, as acelerações de pico obtidas com base na análise dinâmica não-linear apresentam valores elevados indicando que o piso misto (aço-concreto) investigado apresenta problemas de vibração excessiva inerentes ao conforto humano.

A formação de docentesdiscentes atravessada pelas imagens de professores no cinema como questão curricular.

Compreendendo as imagens e as narrativas como personagens conceituais (DELEUZE, GUATTARI, 1992), neste trabalho, desenvolvi temáticas presentes ou estimuladas com os filmes com personagens de professores e cotidianos escolares. Exibições de filmes, seguidos de conversas entre estudantes do curso de Pedagogia presencial da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (campus Maracanã) permitiram a produção do corpus dessa pesquisa, que buscou mapear os mundos culturais, as redes de conhecimentos e significações tecidas por esses estudantes. Assim, as conversas têm sido uma importante metodologia nas pesquisas nos/dos/com os cotidianos, porque segundo Alves (2012), são através delas que trocamos saberesfazeres nos mais variados cotidianos. Contando também com Certeau (1994, 2009), Giard (2009), Maturana (2001, 1998), entre outros, busquei compreender como os cotidianos são organizados através da oralidade, pois na perspectiva de Certeau, Alves e Garcia mapear as ações sujeitas ao esfarelamento, como são características das táticas (CERTEAU, 1994) dos praticantespensantes (OLIVEIRA, 2012) só é possível através das narrativas. Assim, as imagens do cinema permitiram as vivências mais variadas, mostrando sua potência em proporcionar aproximações com situações inusitadas para muitos espectadores, ou ainda, situações de espaçostempos distantes. Os teóricos com quem busquei dialogar acerca dos usos e consumos de imagens audiovisuais foram Machado (2001, 2007), Barbero (2000, 2007) e Deleuze (2005) apostando que intrínseco a esses consumos estariam também implícitos suas subversões e processos formativos. Impactante tornou-se para o grupo envolvido na pesquisa, foi o entendimento dos clichês como potência para o pensamento. Assim, recorrer às imagens dos filmes foi uma forma de abordar as questões que atravessam o chão das escolas e cursos de formação de professores, uma vez que surgiram temáticas tocantes aos cotidianos escolares e saberesfazeres pedagógicos, além daqueles mostrados pelos filmes. Assim, diversas temáticas surgiram entre cinco principais eixos, em torno das relações: entre os docentes e autoridades; entre os discentes; entre os discentes e os docentes; entre os docentes; e os usos dos artefatos culturais e tecnológicos. Todas essas questões envolveram os currículos como sendo tecidos em redes de significações e conhecimentos a partir das compreensões de Alves (2010, 2012a), Carvalho (2012) e Castells (2013). As diferenças que encontramos nos diversos espaçostempos, foram abordadas a partir da presença dos praticantespensantes de várias religiões nas escolas, desenvolvidas com as pesquisas de Caputo (2012), acerca das diferenças nas relações cotidianas entre discentes e docentes, com os trabalhos de Hall (2012), Silva (2012) e Gilroy(2001), pude abordar as tessituras identitárias. Além disso, as pesquisas de Nóvoa (1995), Teixeira (2008) e Müller (2008) foram pertinentes para a compreensão da formação do corpo docente brasileiro e seus atravessamentos de características de cor e gênero. Assim, nesse trabalho, desenvolvo a ideia de que as diferenças nos cotidianos potencializam e ampliam as redes de conhecimentos e significações, bem como os currículos praticadospensados (OLIVEIRA, 2012) nas escolas.

Análise dinâmica e controle de vibrações de pisos de edificações submetidos a atividades humanas rítmicas.

Um aumento crescente dos problemas estruturais associados à vibração excessiva de pisos de edificações de estruturas mistas (aço-concreto) e de concreto armado devido a atividades humanas rítmicas constitui a principal motivação para o desenvolvimento de uma metodologia de projeto respaldada na obtenção da resposta dinâmica de pisos mistos (aço-concreto) e de concreto armado, quando submetidos a cargas dinâmicas humanas rítmicas. Para tal, os modelos estruturais estudados baseiam-se em pisos de edificações mistas (aço-concreto) e de concreto armado submetidos a aulas de ginástica aeróbica. São empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Um estudo paramétrico foi realizado sobre os modelos estruturais investigados e foram obtidos valores elevados para as acelerações de pico violando os critérios de projeto e indicando níveis de vibrações excessivas. Considerando-se os aspectos mencionados anteriormente foi desenvolvida uma estratégia com base em alternativas viáveis para o controle estrutural, objetivando a atenuação das vibrações excessivas a partir da instalação de atenuadores dinâmicos sincronizados (ADS) nos pisos analisados.

Dimensionamento e análise numérica de pisos industriais de concreto.

Os pisos industriais devem atender aos critérios de segurança, funcionalidade e durabilidade das estruturas de concreto. A fim de analisar o desempenho de placas de concreto apoiadas sobre base elástica quando submetidas a ações diretas e indiretas, foram elaborados diversos modelos analíticos e empíricos. Com o avanço tecnológico e o advento de softwares desenvolvidos através de processos numéricos como o método dos elementos finitos (MEF), a aplicação desses modelos foi facilitada. Este trabalho aborda os métodos de cálculo existentes e utilizados na execução dos projetos estruturais de pisos industriais de concreto.

Análise de vibrações e estudo de conforto humano sobre pisos mistos (aço-concreto) submetidos a ações humanas rítmicas.

Este trabalho tem por objetivo avaliar o comportamento dinâmico de pisos mistos (aço-concreto) sob a ação de cargas provenientes das atividades humanas rítmicas, especificamente a prática de ginástica aeróbica, sob o ponto de vista do conforto humano. Tal avaliação torna-se necessária por crescentes problemas estruturais associados às vibrações excessivas, decorrentes da concepção de sistemas estruturais com baixos níveis de amortecimento e com frequências naturais cada vez mais baixas e bastante próximas das faixas de frequência das excitações associadas às atividades humanas rítmicas. O modelo estrutural investigado baseiase em um piso misto (aço-concreto) submetido a aulas de ginástica aeróbica. A modelagem numérica do piso misto investigado foi realizada com base no emprego do programa ANSYS e foram utilizadas técnicas de discretização por meio do método dos elementos finitos (MEF). As cargas aplicadas sobre o piso, oriundas das atividades aeróbicas, são simuladas através de dois modelos de carregamentos dinâmicos distintos. Uma extensa análise paramétrica foi desenvolvida sobre o modelo estrutural investigado e a resposta dinâmica do sistema foi obtida, em termos dos deslocamentos e das acelerações, e comparada com os limites recomendados por normas e critérios de projeto. A resposta dinâmica do piso estudado viola os critérios de projeto relativos ao conforto humano e indica níveis de vibrações excessivas nos casos de carregamento dinâmicos analisados nesta dissertação.

SAMUDRA Report No. 65, July 2013

Sticky issues - An update on the recent SSF guidelines, Forced into slavery- New Zealand, Grabbing oceans- MPAs fail to recognize human-rights issues, Getting rights wrong- GPO ignores the voices of SSF people, Smoking kilns- artisan fishers on the map, Depending on mangroves- Vietnam, Statement made at the GDF on work in fishing convention, fishy partnership- proposed GPO, Champion for fishers - Rolf Willmann