The Explicit Finite Element Method is a powerful tool in nonlinear dynamic finite element analysis. Recent major developments in computational devices, in particular, General Purpose Graphical Processing Units (GPGPU's) now make it possible to increase the performance of the explicit FEM. This dissertation investigates existing explicit finite element method algorithms which are then redesigned for GPU's and implemented. The performance of these algorithms is assessed and a new asynchronous variational integrator spatial decomposition (AVISD) algorithm is developed which is flexible and encompasses all other methods and can be tuned based for a user-defined problem and the performance of the user's computer. The mesh-aware performance of the proposed explicit finite element algorithm is studied and verified by implementation. The current research also introduces the use of a Particle Swarm Optimization method to tune the performance of the proposed algorithm automatically given a finite element mesh and the performance characteristics of a user's computer. For this purpose, a time performance model is developed which depends on the finite element mesh and the machine performance. This time performance model is then used as an objective function to minimize the run-time cost. Also, based on the performance model provided in this research and predictions about the changes in GPU's in the near future, the performance of the AVISD method is predicted for future machines. Finally, suggestions and insights based on these results are proposed to help facilitate future explicit FEM development.

Many challenges in software quality can be tackled with dynamic analysis. However, these techniques are often limited in their efficiency or scalability as they are often applied uniformly to an entire program. In this thesis, we show that dynamic program analysis can be made significantly more efficient and scalable by first performing a static data flow analysis so that the dynamic analysis can be selectively applied only to important parts of the program. We apply this general principle to the design and implementation of two different systems, one for runtime security policy enforcement and the other for software test input generation. For runtime security policy enforcement, we enforce user-defined policies using a dynamic data flow analysis that is more general and flexible than previous systems. Our system uses the user-defined policy to drive a static data flow analysis that identifies and instruments only the statements that may be involved in a security vulnerability, often eliminating the need to track most objects and greatly reducing the overhead. For taint analysis on a set of five server programs, the slowdown is only 0.65%, two orders of magnitude lower than previous taint tracking systems. Our system also has negligible overhead on file disclosure vulnerabilities, a problem that taint tracking cannot handle. For software test case generation, we introduce the idea of targeted testing, which focuses testing effort on select parts of the program instead of treating all program paths equally. Our “Bullseye” system uses a static analysis performed with respect to user-defined “interesting points” to steer the search down certain paths, thereby finding bugs faster. We also introduce a compiler transformation that allows symbolic execution to automatically perform boundary condition testing, revealing bugs that could be missed even if the correct path is tested. For our set of 9 benchmarks, Bullseye finds bugs an average of 2.5× faster than a conventional depth-first search and finds numerous bugs that DFS could not. In addition, our automated boundary condition testing transformation allows both Bullseye and depth-first search to find numerous bugs that they could not find before, even when all paths were explored. / text

Points-to analysis is a static program analysis that computes reference informationfor a given input program. It serves as input to many client applicationsin optimizing compilers and software engineering tools. Unfortunately, the Gold Standard – i.e., the exact reference information for a given program– is impossible to compute automatically for all but trivial cases, and thus, little can been said about the accuracy of points-to analysis. This thesis aims at paving the way towards a Gold Standard for points-to analysis. For this, we discuss theoretical implications and practical challenges that occur when comparing results obtained by different points-to analyses. We also show ways to improve points-to analysis by different means, e.g., combining different analysis implementations, and a novel approach to path sensitivity. We support our theories with a number of experiments.

In recent years, power demands around the world and particularly in North America increased rapidly due to increase in customer’s demand, while the development in transmission system is rather slow. This stresses the present transmission system and voltage stability becomes an important issue in this regard. Pattern recognition in conjunction with voltage stability analysis could be an effective tool to solve this problem In this thesis, a methodology to detect the voltage stability ahead of time is presented. Dynamic simulation software PSS/E is used to simulate voltage stable and unstable cases, these cases are used to train and test the pattern recognition algorithms. Statistical and algorithmic pattern recognition methods are used. The proposed method is tested on IEEE 39 bus system. Finally, the pattern recognition models to predict the voltage stability of the system are developed.

[pt] Este trabalho tem como objetivo analisar a resposta sísmica do talude de um aterro (10,40 m de altura e 76 graus de inclinação), reforçado com geossintáticos (09 camadas de reforço horizontal com 10 m de comprimento) localizada em zona de atividade sí­smica, no Peru. Os aspectos investigados compreendem o estudo da estabilidade de taludes sob condição estatística, a resposta dinâmica da estrutura, a influência das condições de contorno, do tipo de amortecimento do solo e do ângulo de atrito do solo que forma o aterro aterro. As análises dinâmicas foram realizadas utilizando o programa computacional FLAC (ITASCA, 2005), com representação dos reforços geossintáticos como elementos de cabo. O comportamento mecânico do material de rejeito foi simulado através do modelo elastoplástico de Mohr-Coulomb, considerando tanto o amortecimento de Rayleigh (dependente da frequência), quanto o amortecimento histerático (dependente da deformação cisalhante do solo), com o objetivo de verificar os efeitos na resposta dinâmica do aterro e na distribuição das cargas máximas nos reforços. Um melhor entendimento de comportamento de taludes reforçados, principalmente sob ação de carregamentos sísmicos, é essencial para um adequado projeto de engenharia, tanto em termos técnicos quanto econômicos, em diversos países andinos da América do Sul. / [en] The main objective of this research is to investigate the seismic response of a soil slope reinforced with geosynthetics, located in an active seismic region of Peru. The 10.40m high slope was reinforced with 9 horizontal layers of geosynthetics 10m long. The aspects studied in this work are related to the slope static stability, the dynamic response of the embankment under seismic excitation, the effects of the boundary conditions and the different types of mechanical damping, the influence of the friction angle of the soil that forms the embankment. The seismic analysis was carried out with the computational program FLAC, where the reinforcement layers were represented by means of cable elements. The soil mechanical behavior was simulated through the Mohr- Coulomb elastoplastic constitutive model, considering both the frequencydependent Rayleigh damping and the hysteretic damping (dependent on the soil shear deformation) with the objective to understand the influence of all these variables on the dynamic response of the structure and on the distribution of traction forces along the reinforcements. A good knowledge about the mechanical behavior of soil reinforced structures is essential for an efficient engineering design, under the technical and economical points of view, mainly in the Andean countries of South America.

Esse trabalho visa a estudar os efeitos dinâmicos provocados por um veículo classe 3C em uma ponte de concreto de seção unicelular, com curvatura em planta, por meio da modelagem do veículo, do pavimento, das forças de interação veículo-pavimento e da estrutura. Partiu-se do modelo do veículo com nove graus de liberdade, considerando o desacoplamento dos esforços longitudinais de interação dos esforços transversais (força de inércia centrífuga). Foram calculados os carregamentos provenientes do veículo modelado, primeiramente sobre tabuleiro rígido indeslocável, considerando as irregularidades geométricas apresentadas no pavimento, com perfis iguais ou distintos sobre cada linha de pneus. Estes carregamentos foram condensados estaticamente e aplicados em um modelo estrutural simplificado (\'unifilar\') de uma ponte em seção unicelular. Utilizou-se um método iterativo para a obtenção dos esforços de interação, até se alcançar a convergência. Ainda foram confrontados resultados para duas situações de tráfego, sendo a primeira para veículo isolado trafegando sobre a estrutura e a segunda para um comboio de veículos. Por fim, as respostas dinâmicas obtidas da interação veículo-estrutura do modelo foram comparadas com uma resposta quase-estática, para a obtenção dos coeficientes de amplificação dinâmica. / This dissertation aims at studying the dynamic effects produced by a 3C class vehicle on a curved concrete bridge with box girder section, by modelling the vehicle, the roughness profile, the bridge-vehicle interaction forces and the structure. It started from a model with nine degrees-of-freedom, considering the uncoupling of the longitudinal interaction forces of the transversal forces (centrifugal force of inertia). The loads are evaluated for the vehicle model travelling, firstly on a rigid uneven pavement, considering equal and different roughness profiles under the tires. These loads are statically condensed at the centre of gravity of the car and applied to a simplified (\'unifilar\') structural model of a concrete bridge with box girder section. An iterative method has been used to obtain the interaction forces until the convergence could be achieved. Furthermore, the results for two traffic situations were compared, the first being when a single vehicle is traveling along the structure, whereas the second refers to a train of vehicles. Finally, the dynamic response obtained from the bridge-vehicle interaction was compared with a quasi-static response, allowing for the evaluation of the dynamic amplification coefficients.

A inferência de estratégias ofensivas em esportes coletivos pode ser realizada a partir da análise dos padrões de jogo observados durante a disputa. Para que isso ocorra, há a necessidade da formalização de classes de comportamentos específicos para a modalidade de forma a discriminar perfis de jogo com base na identificação das ações mais recorrentes. No basquetebol as ações são encadeadas ao longo da posse de bola, sendo que os diferentes tipos de sequências de ações contêm características que os diferenciam e podem influenciar diretamente no desfecho do ataque. Nesse trabalho foi apresentada uma proposta contendo diferentes possibilidades de sequenciamento de dinâmicas ofensivas baseadas em um modelo teórico descrito na literatura. Os procedimentos de validação do sequenciamento de dinâmicas ofensivas e os testes de reprodutibilidade e objetividade realizados junto a técnicos de basquetebol apresentaram valores elevados demonstrando a consistência dos critérios para a elaboração de 27 tipos de concatenações dependentes (Qui-quadrado >0,78). Além disso, a estrutura desenvolvida foi concluída através da aplicação do constructo a jogos de basquetebol da liga profissional Americana (NBA) (28 partidas, dentre as quais 10 partidas do confronto entre Spurs x Thunder, 10 partidas referentes ao confronto entre Heat e Pacers e 8 partidas da disputa envolvendo Heat e Spurs, sendo analisados ambos os ataques em cada confronto, válidos pela temporada regular e na fase de playoffs). Os resultados gerados a partir da análise foram apresentados através de árvores de decisão e grafos de modo a facilitar a visualização dos comportamentos identificados. A árvore de decisão apresentou as ações na sequência exata em que ocorreram nas posses de bola, enquanto os grafos mostraram os encadeamentos mais recorrentes entre duas dinâmicas ofensivas. Assim ambas as técnicas se mostraram complementares e auxiliaram na observação e análise dos perfis de jogo de cada equipe e na realização de inferências acerca de sua estratégia ofensiva. A formalização dos tipos de sequenciamento de ações ofensivas pode auxiliar treinadores e profissionais do basquetebol no desenho de estratégias, análise dos padrões de suas equipes e adversários e estruturação de sessões de treinamento que considerem os comportamentos ofensivos de modo dinâmico e contextualizado dentro de um encadeamento lógico de ações de jogo / The inference of offensive strategy in team sports can be performed through the analysis of game patterns observed during the games. To achieve such a goal, formal classes of behavior have to be developed for each sport to discriminate the most recurrent offensive actions. In basketball, the game actions are usually linked along a ball possession and different types of sequences of actions contain features that differentiate then and can directly influence the offense outcome. In this study a proposal containing different possibilities of offensive dynamic sequencing based on a theoretical model described in the literature was presented. Validation procedures of sequencing offensive dynamics and reliability and objectivity tests performed with basketball coaches presented high score demonstrating the consistency of the developed criteria and resulting in the creation of 27 types of dependent concatenations (Chi-square >0,78). In addition, the developed structure was completed by applying the construct in professional basketball games of National Basketball Association (NBA) (28 games, of which 10 matches related to the dispute between Spurs vs Thunder, 10 matches between Heat and Pacers and 8 matches from the dispute involving Heat and Spurs, being analyzed both attacks on each match, valid for regular season and playoffs). The results from the data analysis were presented by decision trees and graphs to facilitate the visualization of the identified behaviors. Decision trees presented the offensive actions in the exact sequence in which they occurred in ball possessions while the graphs showed the most recurrent concatenation between two offensive dynamics. Both techniques showed to be complementary and allowed the observation and analysis of game profiles of each team and to make inferences about offensive strategy. The formalization of types os sequencing of offensive actions can help coaches and basketball professionals to design game strategies, to analyse offensive patterns from their teams and the opponets and to structuring sessions of practice that consider offensive behaviors in a dynamic view and contextualized within a logical sequence of game actions

Utilizados na extração de petróleo em alto mar, os risers são elementos que conectam a unidade flutuante ao poço no fundo do mar. Eles estão sujeitos às condições ambientais do local onde estão instalados, as quais podem variar no tempo. Em geral, divide-se o estudo do comportamento global dos risers em duas análises: estática e dinâmica. Na análise estática são levados em conta os carregamentos que podem ser considerados constantes no tempo, são eles: peso próprio, empuxo e força da correnteza. Já na análise dinâmica são considerados os carregamentos causados pela movimentação da unidade flutuante, pelas ondas e pela liberação de vórtices. A dinâmica de risers é essencialmente não-linear, principalmente por causa do amortecimento viscoso, que é quadrático com a velocidade relativa, e devido ao contato unilateral entre o riser e o solo. O problema dinâmico pode ser simulado de duas maneiras: no domínio do tempo e no domínio da freqüência. A análise do domínio do tempo é, geralmente, mais demorada, pois a solução é obtida para cada passo de tempo, porém as não-linearidades inerentes ao comportamento da estrutura podem ser consideradas de forma direta. A análise no domínio da freqüência, por sua vez, costuma ser mais rápida, pois o estado estacionário é diretamente obtido, porém, as não-linearidades do problema devem ser devidamente tratadas. O objetivo deste trabalho foi estudar a dinâmica global de risers com foco na modelagem das não-linearidades no domínio do tempo, bem como estudar uma forma de lineariza-las para o domínio da freqüência. Partiu-se de uma análise estática pré-existente, que no domínio da freqüência é a configuração em torno da qual o riser se movimenta. O modelo dinâmico foi obtido através do Método dos Elementos Finitos e o riser foi representado por um elemento de pórtico. Para a análise no domínio da freqüência uma forma de linearização do amortecimento viscoso foi desenvolvida neste trabalho baseada, em uma metodologia já utilizada em casos bidimensionais. Além disso, o contato com o solo foi representado por molas lineares, que recuperam o movimento no plano horizontal e a curvatura corrigida através de uma técnica de camada limite. Com base nos resultados obtidos, pode-se dizer que essas linearizações tiveram o efeito desejado, pois compararam muito bem com os resultados do modelo não-linear. Já no domínio do tempo o amortecimento viscoso pode ser representado de forma não linear, assim como o contato com solo, representado através do contato unilateral, atrito, força de sucção e trincheira. Foram feitas comparações, sempre que possível, com o software comercial Orcaflex 9.2a. / Used in offshore oil exploitation risers are elements that connect the floating unit to the oil well on the seabed. They are exposed to the environmental conditions of the site where they are installed. Normally, the risers global behavior is divided in static and dynamic analyses. The static loads acting on the pipe are: weight, buoyancy and current load. The loads considered in the dynamic analysis are caused by the floating units motion and by the waves. The riser dynamics is essentially non-linear mainly due to the viscous damping, which is quadratic in velocity and due to the unilateral contact between the riser and the seabed. The dynamic simulation can be performed in time domain and in frequency domain. The time domain analysis usually takes longer to perform because the solution is obtained at each time-step. However, the non-linearities of the problem can be considered. The frequency domain analysis is normally faster than the time domain analysis, once the stationary state is directly obtained, nevertheless, the non-linearities must be removed. The objective of this work is to study the risers global dynamics focusing on the modeling of the non-linearities in time domain, as well as removing them for the frequency domain analysis. The static configuration is the initial configuration of the dynamic analysis and the frequency domain dynamic is modeled to be a perturbation of it. The dynamic model was obtained through the Finite Element Method and the riser was represented by a beam element. The only non-linearities covered in this work are caused by the viscous damping and the soil-structure contact. For the frequency domain analysis it was developed, in this work, a way to linearize the viscous damping based on a methodology already in use for two-dimensional analysis. Besides that, the contact with the seabed was represented by linear springs and the curvature was corrected afterwards through a boundary layer technique. Considering that the results compared very well with the ones obtained with a non linear model, one can say that these linearizations had the desired effect. In the time domain analysis the viscous damping could be represented in the non linear form as well as the soil-structure contact, which was represented through the unilateral contact, friction, suction force and trench. Whenever possible, the results were compared with the ones obtained with Orcaflex 9.2a.

O desempenho de um software depende das múltiplas otimizações no código realizadas por compiladores modernos para a remoção de computação redundante. A identificação de computação redundante é, em geral, indecidível em tempo de compilação, e impede a obtenção de um caso ideal de referência para a medição do potencial inexplorado de remoção de redundâncias remanescentes e para a avaliação da eficácia de otimização do código. Este trabalho apresenta um conjunto de métodos para a análise da efetividade de otimização de código através da observação do conjunto completo de instruções dinamicamente executadas e referências à memória na execução completa de um programa. Isso é feito por meio do desenvolvimento de um algoritmo de value numbering dinâmico e sua aplicação conforme as instruções vão sendo executadas. Este método reduz a análise interprocedural à análise de um grande bloco básico e detecta operações redundantes de memória e operações escalares que são visíveis apenas em tempo de execução. Desta forma, o trabalho estende a análise de reuso de instruções e oferece tanto uma aproximação mais exata do limite superior de otimização explorável dentro de um programa, quanto um ponto de referência para avaliar a eficácia de uma otimização. O método também provê uma visão clara de hotspots de redundância não explorados e uma medida de localidade de valor dentro da execução completa de um programa. Um modelo que implementa o método e integra-o a um simulador completo de sistema baseado em Power ISA 64-bits (versão 2.06) é desenvolvido. Um estudo de caso apresenta os resultados da aplicação deste método em relação a executáveis de um benchmark representativo (SPECInt2006) criados para cada nível de otimização do compilador GNU C/ C++. A análise proposta produz uma avaliação prática de eficácia da otimização de código que revela uma quantidade significativa de redundâncias remanescentes inexploradas, mesmo quando o maior nível de otimização disponível é usado. Fontes de ineficiência são identificadas através da avaliação de hotspots e de localidade de valor. Estas informações revelam-se úteis para o ajuste do compilador e da aplicação. O trabalho ainda apresenta um mecanismo eficiente para explorar o suporte de hardware na eliminação de redundâncias. / Software performance relies on multiple optimization techniques applied by modern compilers to remove redundant computation. The identification of redundant computation is in general undecidable at compile-time and prevents one from obtaining an ideal reference for the measurement of the remaining unexploited potential of redundancy removal and for the evaluation of code optimization effectiveness. This work presents a methodology for optimization effectiveness analysis by observing the complete dynamic stream of executed instructions and memory references in the whole program execution, and by developing and applying a dynamic value numbering algorithm as instructions are executed. This method reduces the interprocedural analysis to the analysis of a large basic block and detects redundant memory and scalar operations that are visible only at run-time. This way, the work extends the instruction-reuse analysis and provides both a more accurate approximation of the upper bound of exploitable optimization in the program and a reference point to evaluate optimization effectiveness. The method also generates a clear picture of unexploited redundancy hotspots and a measure of value locality in the whole application execution. A framework that implements the method and integrates it with a full-system simulator based on Power ISA 64-bit (version 2.06) is developed. A case study presents the results of applying this method to representative benchmark (SPECInt 2006) executables generated by various compiler optimization levels of GNU C/C++ Compiler. The proposed analysis yields a practical analysis that reveals a significant amount of remaining unexploited redundancies present even when using the highest optimization level available. Sources of inefficiency are identified with an evaluation of hotspot and value locality, an information that is useful for compilers and application-tuning softwares. The thesis also shows an efficient mechanism to explore hardware-support for redundancy elimination.

L'objectif de cette thèse est le développement de méthodes de compréhension des logiciels malveillants, afin d'aider l'analyste humain à mieux appréhender cette menace. La première réalisation de cette thèse est une analyse à grande échelle et en profondeur des protections de logiciels malveillants. Plus précisément, nous avons étudié des centaines d'exemplaires de logiciels malveillants, soigneusement sélectionnés pour leur dangerosité. En mesurant de façon automatique un ensemble de caractéristiques originales, nous avons pu alors montrer l'existence d'un modèle de protection particulièrement prévalent dans ces programmes, qui est basé sur l'auto modification du code et sur une limite stricte entre code de protection et code utile. Ensuite, nous avons développé une méthode d'identification d'implémentations cryptographiques adaptée aux programmes en langage machine protégés. Nous avons validé notre approche en identifiant de nombreuses implémentations d'algorithmes cryptographiques -- dont la majorité sont complètement invisibles pour les outils existants --, et ceci en particulier dans des protections singulièrement obscures de logiciels malveillants. Finalement, nous avons développé ce qui est, à notre connaissance, le premier environnement d'émulation de réseaux de machines infectées avec plusieurs milliers de machines. Grâce à cela, nous avons montré que l'exploitation d'une vulnérabilité du protocole pair-à-pair du réseau Waledac permet de prendre son contrôle / The main goal of this thesis is the development of malware analysis methods to help human analysts better comprehend the threat it represents. The first achievement in this thesis is the large-scale and in-depth analysis of malware protection techniques. In particular, we have studied hundreds of malware samples, carefully selected according to their threat level. By automatically measuring a set of original characteristics, we have been able to demonstrate the existence of a particularly prevalent model of protection in these programmes that is based on self-modifying code and on a strict delimitation between protection code and payload code. Then, we have developed an identification method for cryptographic implementations adapted to protected machine language programmes. We have validated our approach by identifying several implementations of cryptographic algorithms ---the majority unidentified by existing tools--- and this even in particularly obscure malware protection schemes. Finally, we have developed what is, to our knowledge, the first emulation environment for botnets involving several thousands of machines. Thanks to this, we were able to validate the viability of the use of a vulnerability in the peer-to-peer protocol in the Waledac botnet to take over this network