[pt] Esta dissertação estuda o comportamento dinâmico não linear de colunas de perfuração de poços de petróleo. A coluna de perfuração é uma estrutura longa, flexível e esbelta, responsável pela perfuração propriamente dita. Seus elementos e funções são apresentados e uma análise numérica é realizada posteriormente. Foi desenvolvido um programa utilizando o software MATLAB (marca registrada) para simulação numérica do comportamento dinâmico das colunas pelo método dos elementos finitos que utiliza a formulação corotacional para implementação da não linearidade geométrica. A discretização da estrutura utiliza um elemento de viga com seis graus de liberdade por nó aplicando a formulação de viga de Euler-Bernoulli. Para solução do sistema de equações não lineares resultante utiliza-se o método de Newton-Raphson. Além disso, o método de Newmark é utilizado para integração no tempo das equações de movimento do problema. Um modelo com molas lineares é proposto para representar o contato entre a parede do poço e a coluna. A metodologia proposta e as funcionalidades do programa desenvolvido são avaliadas e seus resultados são comparados com algumas soluções analíticas ou numéricas de exemplos disponíveis na literatura. Esses resultados conferem confiabilidade na análise de problemas de coluna de perfuração, que apresentam as séries temporais de deslocamentos e esforços em toda a coluna e os modos de flambagem gerados. Os resultados obtidos demonstram que a coluna é muito sensível a qualquer mudança de condição de contorno, o que corrobora com a complexidade do problema. Assim, o trabalho fornece uma base razoável para desenvolvimentos posteriores, que permitam a análise de toda a coluna de perfuração acoplada. / [en] This work studies the nonlinear dynamic behavior of oil well drillstring, which is a long slender flexible structure responsible for the drilling. Its elements and functions are presented, and numerical analyses are performed later. The work develops a computational code using the software MATLAB (trademark) for the numerical simulation of the column s dynamic behavior using the finite element method. The corotational formulation is used for the implementation of geometric nonlinearity. The structure s discretization uses a beam element with six degrees of freedom per node and employs the Euler-Bernoulli s beam formulation. The Newton-Raphson method is responsible for solving the nonlinear system of equations. In addition, the solution procedure uses the Newmark s method for the time integration of the problem s movement equations. A linear setup spring model is proposed to represent the contact between the borehole wall and the column. The proposed methodology and computational code capabilities are evaluated by comparing some results to analytical or numerical results of examples available in the literature. These results give reliability to analyze drillstring problems, which present the displacements and forces time series of the whole column and the buckling modes generated. The results show that the column is very sensitive to any boundary condition changing, which corroborates the complexity of the problem. Hence, the work proposes a reasonable basis for further developments, allowing the entire coupled drillstring analysis.

[pt] O método híbrido de elementos finitos, proposto por Pian com base no potencial de Hellinger-Reissner, provou ser um avanço conceitual entre as formulações de discretização, tendo sido explorado extensivamente desde então por códigos acadêmicos e comerciais, também levando em conta uma série independente dos mais recentes desenvolvimentos chamados métodos de Trefftz. O método híbrido de elementos de contorno é uma generalização bem sucedida da formulação original de Pian, em que funções de Green são usadas como funções de interpolação no domínio, possibilitando assim a modelagem robusta e precisa de formas arbitrárias submetidas a vários tipos de ações.Mais recentemente, uma proposição de Przemieniecki - para a análise geral de vibração livre de elementos de treliça e viga - foi incorporada à formulação de elementos híbridos de contorno e estendida para a análise de problemas dependentes do tempo fazendo uso de um processo de superposição modal avançada que leva em conta condições iniciais gerais assim como ações de corpo gerais, além de efeitos inerciais. A presente contribuição pretende trazer para elementos finitos os melhoramentos conceituais obtidos no contexto do método híbrido de elementos de contorno. Uma grande família de macro elementos finitos híbridos é introduzida para o tratamento unificado em 2D e 3D, de problemas estáticos e transientes de elasticidade e potencial com base nas soluções fundamentais não-singulares. É também mostrado que materiais nãohomogêneos, como os novos materiais com gradação funcional, podem ser tratados consistentemente, pelo menos para problemas de potencial. Alguns exemplos numéricos simples são apresentados como ilustração dos desenvolvimentos teóricos. / [en] The hybrid finite element method, proposed by Pian on the basis of the Hellinger-Reissner potential, has proved itself a conceptual breakthrough among the discretization formulations, and has been extensively explored both academically and in commercial codes also taking into account an independent series of more recent developments called Trefftz methods. The hybrid boundary element method is a successful generalization of Pian´s original formulation, in which Green´s functions are taken as interpolation functions in the domain, thus enabling the robust and accurate modeling of arbitrarily shaped bodies submitted to several types of actions. More recently, a proposition by Przemieniecki - for the generalized free vibration analysis of truss and beam elements - was incorporated into the hybrid boundary element formulation and extended to the analysis of time-dependent problems by making use of an advanced mode superposition procedure that takes into account general initial conditions as well as general body actions, besides the inertial effect. The present contribution aims to bring to finite elements the conceptual improvements obtained in the frame of the hybrid boundary element method. A large family of hybrid, macro finite elements is introduced for the unified treatment of 2D and 3D, static and transient problems of elasticity and potential on the basis of nonsingular fundamental solutions. It is also shown that nonhomogeneous materials, as the novel functionally graded materials, may be dealt with consistently, at least for potential problems. Some simple numerical examples are shown to illustrate the theoretical developments.

[pt] Na engenharia estrutural, um dos critérios de projeto consiste na necessidade de que as estruturas mantenham suas condições de segurança e funcionalidade ao longo da vida útil. Desta forma, diversas metodologias de avaliação da integridade estrutural (SHM) vêm sendo desenvolvidas. Esta avaliação ocorre através do sensoriamento contínuo de estruturas de modo a validar seu comportamento no tempo. A resposta dinâmica pode ser considerada uma metodologia gradualmente explorada como SHM. Estruturas em serviço tendem a sofrer vibrações que geram uma resposta dinâmica. A existência de danos proporciona a degradação de propriedades como massa e rigidez, resultando em variação nos parâmetros modais, como frequências naturais, modos de vibração e amortecimento. Na presente pesquisa, com o auxílio de um modelo de elementos finitos devidamente validado, propõem-se uma metodologia de avaliação de danos através de parâmetros modais experimentais. A proposta será avaliada através da comparação entre respostas numéricas e resultados de ensaios dinâmicos em laje danificada. Objetiva-se estimar a variação de rigidez da estrutura, que corrobora para alteração dos parâmetros dinâmicos. Serão avaliados ainda fenômenos como breathing cracks, fissuras que se encontram abertas ou fechadas em instantes distintos durante a vibração. Além disso, será ponderado o efeito de enrijecimento do concreto na região fissurada. Estes processos afetam consideravelmente a rigidez do elemento fissurado. Desta forma, objetiva-se um modelo robusto de análise de lajes de concreto armado fissuradas a partir da análise do comportamento dinâmico. / [en] In structural engineering, one of the design criteria is the need to maintain structures safety and functionality conditions throughout their useful life. This way, several structural health monitoring methodologies (SHM) have been developed. This evaluation occurs through the continuous sensing of structures in order to validate their behavior over time. Dynamic response can be considered a gradually explored methodology as SHM. In-service structures tend to suffer with vibrations that produce a dynamic response. The existence of structural damage produces a degradation of properties such as mass and stiffness, resulting in variation of modal properties such as natural frequencies, vibration modes and damping. In the present research, with the aid of a duly validated finite element model, it is proposed a damages diagnosis methodology through experimental modal parameters. The proposal will be through the comparison of numerical responses and dynamic tests results made with a damaged slab. The analysis aim to estimate the structure s stiffness variation, which corroborates the alteration of the dynamic parameters. Phenomena such as breathing cracks, where the fissure is open or closed at different times during the vibration, will also be evaluated. In addition, the effect of concrete stiffening around the cracked region will be considered. These processes considerably affect the stiffness of the cracked element. In this way, the objective is a robust model for the analysis of cracked reinforced concrete slabs from the analysis of their dynamic behavior.

[pt] Os sistemas elétricos de grande porte estiveram sempre fortemente associados à utilização de máquinas síncronas para a geração de energia e atendimento às cargas, tendo como outros benefícios, a possibilidade de prover o controle dinâmico do perfil de tensão da rede e a regulação da frequência elétrica. Em relação ao controle da frequência, as máquinas síncronas agregam resposta inercial, ou seja, convertem em energia elétrica parte da energia cinética armazenada em seus rotores, e vice-versa, sempre que caracterizado um desequilíbrio entre carga e geração. Este comportamento determina as taxas iniciais de variação da frequência elétrica (RoCoF – Rate of Change of Frequency), as quais podem ser definidas principalmente por dois fatores: a magnitude do desbalanço de potência ativa e a inércia global do sistema, sendo esse último dependente do número de geradores sincronizados e da inércia de cada gerador. O crescimento cada vez maior na matriz de energia elétrica de usinas eólicas e solares fotovoltaicas, que usualmente conectam-se à rede por meio de conversores eletrônicos e, portanto, não agregam resposta inercial ao sistema, trará impactos na regulação da frequência e nos valores de RoCoF. Nesse cenário, o principal objetivo deste trabalho é apresentar uma análise quantitativa da evolução das taxas de variação da frequência no SIN durante perdas de grandes blocos de geração. Os valores de RoCoF são analisados tanto do ponto de vista global, através da frequência no centro de inércia do sistema, quanto do ponto de vista regional, a partir de barras que representam as regiões do SIN. / [en] Large electrical systems have always been strongly associated with the use of synchronous machines for power generation and load service, with other benefits, possibility of providing dynamic control of the system voltage profile and frequency regulation. Regarding frequency control, synchronous machines aggregate inertial response, i.e., convert part of the kinetic energy stored in their rotors into electrical energy (and vice-versa), whenever there is an imbalance between load and generation. This behavior determines the initial Rate of Change of Frequency (RoCoF), determined mainly by two factors: a magnitude of the active power unbalance and the global inertia of the system, that is dependent on the number of synchronized generators and the inertia of each generator. The increase of wind and solar photovoltaic plants in electrical energy matrix, which are usually connected to the system through inverters and do not aggregate inertial response to the system, will impact on frequency regulation and RoCoF values. In this scenario, the main objective of this thesis is to present a quantitative analysis of the evolution of RoCoF in the Brazilian Electrical System during outages of large generation blocks. RoCoF values are analyzed from a global point of view, through the frequency at the center of inertia of the system, and from a local point of view, through buses that represent the Brazilian Electrical Subsystems.

[pt] O problema da estabilidade de tensão está associado à máxima injeção de potência em barras da rede e à possibilidade do controle de tensão ter o efeito oposto ao esperado. Alguns casos reais de blecaute, caracterizados por afundamento de tensão, sugerem que os procedimentos normais para o controle de tensão do sistema podem agravar ainda mais o problema. Isso ocorreria porque, em determinadas situações especiais, caracterizadas pela relação inversa entre as variáveis de controle dos equipamentos, as ações de controle teriam o efeito oposto ao esperado da sua lógica de projeto. Esta afirmação é baseada no critério de estabilidade de tensão a pequenas perturbações que diz: Dada uma condição de operação para cada barra no sistema, o sistema é estável caso o módulo da tensão na barra aumente à medida que a injeção de potência reativa nessa mesma barra é aumentada. Um sistema é instável se, para pelo menos uma barra no sistema, o módulo de tensão da barra diminui conforme a injeção de potência reativa nessa barra é aumentada. Adicionalmente, o critério da curva 𝑉𝑄 diz: Uma vez que todos os dispositivos de controle de potência reativa são projetados para funcionar satisfatoriamente quando um aumento em 𝑄 é acompanhado por um aumento em 𝑉, a operação do lado direito das curvas 𝑉𝑄 é estável e do lado esquerdo é instável. Além disso, a parte inferior da curva 𝑉𝑄 representa o limite de estabilidade e define o valor de potência reativa mínimo para uma operação estável. Esse efeito não esperado do controle poderia causar tensões excessivamente baixas (ou altas) para a operação normal do sistema e provocar consequências indesejáveis. Visto isso, esse trabalho tem como principal objetivo investigar, no domínio do tempo, o efeito das ações de controle de tensão em pontos onde as variáveis de controle dos equipamentos apresentam relação inversa e, assim, validar (ou não) os resultados estimados pelos métodos baseados em análise estática como, por exemplo, os critérios de estabilidade de tensão a pequenas perturbações e da curva 𝑉𝑄. As simulações dinâmicas mostram que a análise estática não pode ser aplicada a todos os tipos de equipamentos que controlam a tensão. Outra possível causa do problema da estabilidade de tensão está relacionada à atuação de limitadores de sobre-excitação de máquinas síncronas e, por esta razão, é proposto um método para identificar as máquinas propensas a atingir o limite de sobre-excitação em estudos de regime permanente. No entanto, a atuação desses limitadores, na grande maioria das vezes, não apresenta efeito prejudicial na estabilidade do sistema e, por isto, também é proposto um critério que aponta a iminente perda da estabilidade devido à atuação dos limitadores. Este critério pode ser útil na concepção de esquemas automáticos de rejeição de carga, a fim de impedir a perda de estabilidade, e ele também pode ser utilizado em avaliações de segurança online para alertar sobre possíveis riscos de instabilidade e, consequentemente, para indicar ações preventivas. / [en] The voltage stability problem is associated with the maximum power injection in the network and the possibility of the voltage control having the opposite effect. Some real cases of blackouts characterized by voltage decays suggest that normal procedures for automatic voltage control can adversely affect the voltage level in the system. This may have been because in special situations, characterized by an inverse relationship between the controls variables in the devices used to control the system voltage, the automatic voltage control can have the opposite effect to that expected based on the design logic. This statement is based on the criterion for small-disturbance voltage stability: At a given operating condition for every bus in the system, a system is voltage-stable if the bus voltage magnitude increases as the reactive power injection at the same bus is increased. A system is voltage-unstable if, for at least one bus in the system, the bus voltage magnitude decreases as the reactive power injection at the same bus is increased. In addition, it is based on the 𝑉𝑄 curve criterion: Since all reactive power control devices are designed to operate satisfactorily when an increase in 𝑄 is accompanied by an increase in 𝑉, operation on the right side of the 𝑉𝑄 is stable and on the left side is unstable. Besides, the bottom of the 𝑉𝑄 curve represents the stability limit and defines the minimum reactive power requirement for stable operation. The unexpected control effect could produce excessively low (or high) voltages for normal system operation and cause undesirable consequences. In light of this, the present work seeks to analyze in the time domain the effects of device control actions starting from points where the control variables are inversely related and validated (or not) the results estimated by methods based on static analysis, for example, the criterion for small-disturbance voltage stability and 𝑉𝑄 curve. Dynamic simulations show that static analysis cannot be applied to all types of devices used to control the voltage. Another possible cause of the voltage stability problem is the action of overexcitation limiters. For this reason, it is proposed a way for identifying the machines that have a chance to hit the overexcitation limit in static analysis studies. However, in most cases, the action of these limiters has no detrimental effect on system stability and, therefore, it is also proposed a criterion that identifies the imminent loss of stability due to these limiters. This criterion may be useful in design of load shedding schemes, in order to prevent loss of stability, and can be used for online security assessment, warning for instability and indicating preventive actions.

[pt] Esta Dissertação procura, sob um enfoque freqüentista, discutir tecnologias para que se imponham restrições no processo de estimação de componentes não observáveis associadas a um modelo em Espaço de Estado (EE) arbitrário. O escopo do texto abrange desde procedimentos propostos pioneiramente por Howard Doran para restrições de igualdade, lineares e/ou não lineares, invariantes ou variantes no tempo, em modelos em EE lineares, até a adoção e o ajuste de estruturas mais delicadas, como os modelos em EE não lineares. Entende-se que estes últimos se constituem em uma alternativa relevante, caso seja requerida, por exemplo, a imposição de restrições de desigualdade. Técnicas e estratégias de implementação são apresentadas, debatidas e comparadas, incluindo-se também o processo de estimação de parâmetros desconhecidos e a questão de diagnósticos. Ao final, são apresentados exercícios empíricos com base nas tecnologias discutidas. Os modelos propostos para esta ilustração visam à realização da análise dinâmica de estilo baseado no retorno para carteiras de investimento brasileiras (a versão estática desses modelos fora introduzida por William Sharpe, para carteiras norte-americanas), os quais devem, eventualmente, abranger dois tipos de restrições nas componentes de interesse, quais sejam, um de igualdade e outro de desigualdade. / [en] This Dissertation aims, in a frequentist way, to discuss technologies for imposing restrictions in non-observable components associated with an arbitrary State Space (SS) model. The text scope ranges from procedures proposed originally by Howard Doran for equality, linear or non- linear, time invariant or time varying restrictions in a linear SS model, to adoption and estimation of more complicated structures like non-linear SS models. It is understood that these last ones are a relevant alternative, in cases of, for instance, inequality restrictions requirement. Implementation techniques and strategies are given, debated and compared, also including unknown parameters estimation and diagnostics analysis. At the end, empirical exercises are presented based on discussed methodologies. The proposed models for this illustration aim at dynamic return based style analysis for Brazilian investment portfolios (the static version of these models had been introduced by William Sharpe, for American portfolios), which shall eventually satisfy two kinds of restrictions on components of interest, namely one of equality and other of inequality.

[pt] Neste trabalho, o comportamento tridimensional de tubos multicamadas com escorregamento entre camadas, sob grandes deslocamentos, para aplicação em análise global de risers e dutos é avaliado. Foi desenvolvido um novo elemento finito, considerando o modelo de viga de Timoshenko em cada camada. O elemento contempla os graus de liberdade axial, flexional e torcional, todos variando ao longo do elemento de acordo com as funções de interpolação de Hermite: carregamentos axial e torcional constantes e momentos fletores lineares. As deformações de cisalhamento também foram consideradas na formulação do elemento através de graus de liberdades generalizados, constantes ao longo do elemento. A formulação também considera modelos de contato não-lineares para representar várias possibilidades de atrito entre camadas, através da representação apropriada da relação constitutiva para as tensões de cisalhamento no material adesivo. O trabalho também apresenta os carregamentos hidrostáticos e hidrodinâmicos devidos aos fluidos interno e externo, atuando nos graus de liberdade das respectivas camadas. As forças de arrasto e de inércia devidas ao fluido externo foram calculadas através da fórmula de Morison. As matrizes de massa e amortecimento, associadas a cada camada do elemento, são obtidas através da consideração das respectivas contribuições na expressão do trabalho virtual desenvolvido pelo carregamento externo. O elemento finito desenvolvido permite a representação numérica de risers com camadas aderentes ou não aderentes, incluindo os efeitos de pequenos deslocamentos entre camadas. O problema de interação solo-estrutura também é tratado neste trabalho, sendo que dois modelos de contato entre o solo e o duto são propostos. A formulação do elemento e o seu desempenho numérico são avaliados através de alguns exemplos de aplicação e os resultados são comparados com outros resultados numéricos ou analíticos disponíveis na literatura. Os resultados mostram que o novo elemento é uma solução simples, robusta e confiável para análise de tubos em multicamadas. / [en] This work addresses the behavior of three-dimensional multilayered pipe beams with interlayer slip condition, under general three-dimensional large displacements, in global riser and pipeline analysis. A new finite element model, considering the Timoshenko beam for each element layer, has been formulated and implemented. It comprises axial, bending and torsional degrees-of-freedom, all varying along the element length according to discretization using Hermitian functions: constant axial and torsional loadings, and linear bending moments. Transverse shear strains due to bending are also considered in the formulation by including two generalized constant degrees-of-freedom. To represent various friction conditions between the element layers, nonlinear contact models are considered. These conditions are accounted in the model through a proper representation of the constitutive relation for the shear stresses behavior in the binding material. Derivations of hydrostatic and hydrodynamic loadings due to internal and external fluid acting on respective element layers are presented. The drag and inertia forces due to external fluid are calculated by using the Morison equation. Mass and damping matrices, associated to each element layer, are properly derived by adding their respective contributions to the expression of the virtual work due to external loading. The FE implementation allows for the numerical representation of either bonded or unbonded multilayered risers, including small slip effects between layers. Effects of the pipe-soil interaction are also addressed in this work with two contact models considering either no or full interaction between friction forces in longitudinal and lateral directions, respectively. The element formulation and its numerical capabilities are evaluated by some numerical testing, which are compared to other numerical or analytical solutions available in the literature. These tests results show that the proposed element provides a simple yet robust and reliable tool for general multilayered piping analyses.

[pt] Os Sistemas de Energia Elétrica (SEE) operam de acordo com limites de segurança definidos pelo planejamento da operação através de simulações computacionais. Portanto, os componentes da rede elétrica devem ser devidamente modelados para garantir uma operação segura e econômica. A tecnologia dos sistemas de medição fasorial sincronizada permite a obtenção de registros de distúrbios reais, que podem ser comparados com simulações para verificar sua aderência. Tem-se verificado nos atuais SEE diferenças entre os registros e as simulações computacionais dos eventos observados. Tais diferenças têm ocorrido também no Sistema Interligado Nacional (SIN), principalmente em relação ao desvio de frequência, sendo a resposta simulada menos severa quando comparada ao comportamento observado, podendo levar o SIN a operar em um ponto inseguro com risco de atuação de esquemas regionais de alívio de carga. Nesta dissertação são avaliados os modelos de usinas hidráulicas e termoelétricas e os parâmetros que podem influenciar significativamente a resposta das simulações, com ênfase no desempenho da frequência. Distúrbios que ocorreram no SIN são reproduzidos utilizando casos de tempo real, construídos a partir dos dados de estimadores de estado, em conjunto com uma base de modelos dinâmicos. Os resultados das simulações são comparados com os registros reais obtidos pelas PMUs (Phasor Measurement Unit) instaladas no SIN. Parâmetros como altura de queda, resposta dos reguladores de velocidade e modelagem dinâmica e estática das cargas são investigados. Impactos e simulações do fenômeno multi-infeed são apresentados. Os resultados obtidos mostram a necessidade de melhorias nos modelos e nos parâmetros de entrada das simulações de transitórios eletromecânicos do SIN. Ressalta-se a importância da contínua validação sistêmica e específica dos modelos para o planejamento da operação do SIN. / [en] Electric power systems (EPS) operate according to safety limits defined by the operation planning assessed through computer simulations. Therefore, the components of the electrical grid must be properly represented to ensure secure and economical operation. The technology of synchronized phasor measurement systems allows to obtain records of actual faults, which can be compared to simulation results to check their accuracy. Differences between records and computer simulations of the observed events have been verified in the current EPS. Such differences have also occurred in the Brazilian interconnected system (BIS), mainly related to frequency deviations, with the simulated response being less severe when compared to the observed performance. This may lead the BIS to operate under unsafe conditions, with risk of activating regional protection schemes for load shedding; a possible hasty and undesirable action. In this dissertation, the models of hydraulic and thermoelectric power plants and other parameters that can significantly influence the response of simulations are evaluated, with an emphasis on frequency performance. Disturbances that occurred in the BIS are reproduced using real-time cases, built from state estimator data, together with a collection of dynamic models. The simulation results are compared with the actual records obtained by PMUs (Phasor Measurement Units) installed in the BIS. Parameters such as hydropower head, response of speed regulators and dynamic and static modeling of loads are explored. Impacts and simulations of the multi-infeed phenomenon are also presented. The results show the need for improvements in the models and simulation input parameters of electromechanical transient studies of the BIS. There is a continuous need to observe the systemic and specific validation of models for planning and operation of the BIS.

[pt] Em problemas geotécnicos podem ocorrer grandes deformações devido a chuvas prolongadas, sismos, deslizamentos de encostas, etc. Material point method (MPM) é um método de solução baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF) que oferece vantagens para o cálculo estático e dinâmico que envolve deformações desse tipo. O objetivo desta dissertação é utilizar o MPM em problemas geotécnicos em condições estáticas e dinâmicas. Esta pesquisa mostra o procedimento de analises do MPM para a condição não acoplada (só solido sem presença de água) e depois acoplada. Para a revisão matemática de MPM se faz antes um resumo da teoria do MEF na metodologia de conservação de quantidade de movimento. Nestas duas formas de resolver os problemas geotécnicos foram expostos três exemplos simples. O primeiro é uma coluna de solo simulado sob os fundamentos da elasticidade, com o objetivo de verificar o deslocamento vertical pelo peso próprio. Isto foi resolvido mediante quatro diferentes métodos: analítica, MEF por resíduos ponderados, MEF por conservação de quantidade de movimento, e MPM. Todos eles consideram somente a fase solida. No segundo exemplo, tem-se solo na geometria de quadrado de lado 1 metro, onde busca-se obter as poropressões quando atingir a condição permanente enquanto os deslocamentos ocorrem ao longo do tempo; ou seja, a análise é acoplada e é resolvida pelo método MPM. Para uma aplicação mais realista, foi feita a análise (não acoplada) da barragem Palo Redondo, pertencente ao projeto Chavimochic, localizada na região de La Libertad, Perú. Nesta análise dinâmica considerou-se dois modelos constitutivos: Elástico e Mohr Coulomb, além de um sismo. / [en] In geotechnical problems can happen large strains because of prolonged rains, earthquake, slide slope, etc. Material point method is a solution method based on the finite element method (FEM) which offers advantages for static and dynamic calculation that involve that kind of strains. The objective in this dissertation is to use the MPM in geotechnical problems in statics and dynamics conditions. This research shows the analysis procedure of MPM for uncoupled condition (only solids, without water) and then coupled. Before the mathematical theory of MPM, a review of the theory of FEM in the conservation of quantidade de movimento is done. In this two methodology were raised three examples. The first one is a soil column that was modeled elastically, in which the main objective in to analyze the vertical displacement because of own weight. This was solved by four different methods: analytically, FEM weighted residual, FEM conservation of momentum, and MPM. All of them consider only the solid phase. The second example is a square of soil with side 1 meter, where the objective is to know the pore-pressure in the permanent condition and at the same time the vertical displacement were generated, it means that the analysis is coupled and were solved by MPM. In order to make a more realistic application, Palo Redondo dam is analyzed (uncoupled condition), which belongs to the Chavimochic project located in La Libertad, region of Perú. This dynamic analysis was done considering two constitutive models: Elastic and Mohr Coulomb, additionally seismic forces.

[pt] A resposta dinâmica de sistemas estruturais não lineares tem sido um item de grande interesse nas pesquisas em engenharia civil. Problemas onde há interação base flexível-estrutura são de grande importância na análise estrutural, já que a maioria das estruturas civis é apoiada sobre sistemas flexíveis (solo ou sistemas de apoio com dissipação de energia). Nesta área, o estudo de sistemas submetidos a ações sísmicas é um tópico relevante, já que estas solicitações têm um grande conteúdo de frequências, o que pode influenciar consideravelmente as respostas da estrutura. Neste contexto, o conhecimento da resposta em frequência de estruturas não lineares sob uma excitação de base é uma ferramenta útil para avaliar os potenciais efeitos de ações sísmicas sobre estes sistemas. Na presente tese é desenvolvida uma metodologia de análise não linear dinâmica de sistemas estruturais reticulados sob excitações de base, considerando não linearidade geométrica e apoios flexíveis, representados por molas unidimensionais, com comportamento elasto-plástico. Através de uma análise paramétrica é avaliada a variabilidade das respostas de sistemas esbeltos submetidos a ações sísmicas reais, sismos artificiais, assim como ações sísmicas sucessivas. O problema no espaço é resolvido pelo método dos elementos finitos. Para a análise em frequência, é apresentada uma metodologia baseada no método do balanço harmônico e no método de Galerkin, juntamente com técnicas de continuação para a obtenção das curvas de ressonância não lineares. O problema no tempo é abordado através da integração das equações de movimento pelos métodos de Runge-Kutta e Newmark, associado ao método de Newton-Raphson. / [en] The dynamic response of nonlinear structures has been a topic of interest in civil engineering research. Problems in which base-structure interaction is present have a great importance in structural analysis, since most structures rests on flexibel systems (soil or supports with dissipation). In this research area, the study of structures under the action of seismic loads represent a relevant topic, since this kind of excitations may excite several vibration modes and thus influence strongly the dynamic response. In this context, the prediction of the nonlinear structural behavior in frequency domain of structures under base excitation is a useful resource to assess the potential effects of sismic loads on these systems. In this thesis, a methodology for nonlinear dynamic analysis of plane frame structures under base excitation is presented considering geometric nonlinearity and elastic supports represented by elasto-plastic unidimensional springs. Trough a parametric analysis, the variability of the dynamic responses of slender structural systems under the actions of real earthquakes, synthetics earthquakes, as well as the action of multiple earthquakes is assessed. The structural systems here analyzed are discretized in space using a nonlinear finite element formulation. For the response in frequency domain, a scheme based on the Balance Harmonic Method and the Galerkin method, in conjunction with continuation methods, is formulated to obtain the nonlinear resonance curves. The nonlinear dynamic response in the time domain is calculated by direct integration of the equations of motion. For this, the Runge-Kutta method and the Newmark method in association with the iterative Newton-Raphson scheme are employed.