[pt] O presente trabalho apresenta um estudo de problemas de estabilidade, freqüentemente,encontrados, em Engenharia Geotécnica, através da técnica da Análise Limite associada ao Método dos Elementos Finitos (MEF).Inicialmente, faz-se uma revisão das formulações da Análise Limite, via MEF,encontradas, com maior freqüência, na literatura técnica especializada.Uma formulação mista que é descrita em detalhe na tese foi escolhida para implementação. Extensões das formulações da Análise Limite de meios contínuos são propostas para contemplar características de maciços rochosos fraturados. É proposto,também, um procedimento numérico para tratar de problemas de estabilidade de meios que exibem fluxo plástico não associado.As implementações realizadas foram validadas através de problemas cujas soluções podem ser obtidas por via analítica.Finalmente, um número considerável de problemas de interesse em Engenharia Geotécnica é estudado utilizando a implementação realizada. Os resultados destes estudos sugerem a viabilidade da utilização da técnica estudada na solução de problemas práticos de Engenharia Civil. / [en] This work presents a study of stability problems often encountered in Geotechnical Engineering, through the use of Limit Analysis in conjunction with the Finite Element Method (FEM).Initially, a literature survey of the most often found formulations in Limit Analysis through the FEM is carried out.A mixed formulation of Limit Analysis was chosen for implementation and its details are fully described. Extensions of the formulation to deal with stability problems in fractured rock media are also proposed and described. A numerical procedure to take into account the effect of non associative plastic flow is proposed.The implementations carried out were validated through problems to which analytical solutions could be found.Finally, a considerable number of problems of interest to Geotechnical Engineering is studied with the implemented formulation. The results of these studies suggest that Limit Analysis can be considered as a viable tool in the solution of practical problems in Geotechnical Engineering.

[pt] O presente trabalho trata da aplicação da análise limite numérica (ALN) a problemas geotécnicos. Os meios (solo ou rocha) são considerados como contínuos convencionais e como contínuos de Cosserat. Da aplicação da formulação mista da análise limite e da discretização do meio por uma malha de elementos finitos é obtido um problema de programação matemática (PM). A aplicação desta metodologia nos contínuos de Cosserat (2D) fornece problemas de programação linear (PL) e nos contínuos convencionais (2D e 3D), problemas de programação não-linear (PNL). A solução do problema de PM foi através dos programas de otimização: LINDO (PL), LINGO (PNL), MINOS (PNL) e LANCELOT (PNL). Também foram implementados os algoritmos não lineares -Quase Newton com deflexão- e -Han-Powell-. A formulação é validada em problemas cuja solução analítica é conhecida ou em dados experimentais. Estes exemplos mostram a rapidez e a eficácia da ALN para a determinação da carga de colapso e do mecanismo de ruptura do problema. / [en] The present work treats of the application of the numerical limit analysis (NLA)to geomechanics problems. The soil or rock mass is considered as conventional continuous and Cosserat continuous. A mathematical programming (MP) problem is obtained through the application of the mixed formulation of limit analysis and the finite elements mesh. The application of this methodology in the Cosserat continuous (2D) supplies linear programming (LP) problems and in the conventional continuous (2D and 3D) nonlinear programming (NLP) problems. The solution of the problem of MP was through the LINDO (LP), LINGO (NLP), MINOS (NLP) and LANCELOT (NLP) programs. It was also implemented nonlinear algorithms -Quasi-Newton feasible point method- and -Han-Powell-.The formulation is validated in problems whose analytic solution is known or in experimental data. These examples show the speed and the effectiveness of NLA for the determination of the collapse load and of the mechanism of rupture of the problem. / [es] EL presente trabajo trata de la aplicación del análisis límite numérica (ALN) a problemas geotécnicos. Los medios (suelo o roca) son considerados como contínuos convencionales y como contínuos de Coserat. De la aplicación de la formulación mixta del análisis límite y de la discretización del medio por una malla de elementos finitos se obtiene un problema de programación matemática (PM). La aplicación de esta metodología en los contínuos de Coserat (2D) nos lleva a problemas de programación lineal (PL) y en los contínuos convencionales (2D y 3D), problemas de programación no lineal (PNL). La solución del problema de PM fue a través de los programas de optimización: LINDO (PL), LINGO (PNL), MINOS (PNL) y LANCELOT (PNL). También fueron implementados los algoritmos no lineares quase- Newton con deflexión y Han Powell . Se evalúa la formulación propuesta en problemas donde se conoce la solución analítica o en datos experimentales. Estos ejemplos muestran la rapidez y la eficacia de la ALN para la determinación de la carga de colapso y del mecanismo de ruptura del problema.

[pt] Visando avaliar uma ferramenta numérica efetiva para resolução de problemas de estabilidade tridimensionais, a análise limite numérica foi estudada neste trabalho. Sua abordagem numérica requer o uso tanto do método dos elementos finitos quanto de programação matemática. Isto porque os teoremas da plasticidade, base da análise limite, podem ser colocados como problemas de otimização. No teorema do limite inferior, por exemplo, se deseja maximizar o fator de colapso, com o solo sujeito a condições de equilíbrio e ao critério de ruptura. O critério de ruptura utilizado foi o de Drucker-Prager. Neste trabalho, fez-se uso da programação cônica quadrática, conhecida por possibilitar a resolução de problemas de grande escala com muita eficiência. Empregou-se, para tanto, o solver Mosek. Além de ser possível determinar o fator de colapso, também se desenvolveu um método para calcular o fator de segurança da encosta. Ele reduz sucessivamente os parâmetros de resistência do solo, através do método de Newton-Raphson. Em casos de geometrias mais complexas, a formulação do problema teve que ser modificada. Uma força horizontal fictícia foi adicionada na condição de equilíbrio e unicamente ela foi majorada com o fator de colapso. Foi apenas através desta formulação que se pode simular a estabilidade de solos submetidos ao efeito de poropressão. A análise de fluxo foi simulada a parte no programa de elementos finitos desenvolvido por Miqueletto (2007). A resistência do solo depende dos valores de poropressão, que caracterizam os solos como saturados ou não saturados. / [en] Numerical limit analysis was studied in order to evaluate an effective numerical procedure to solve three-dimensional slope stability problems. This numerical approach utilizes finite element method and mathematical programming. Mathematical programming is needed because the plasticity theorems, basic theorems for limit analysis, can be cast as optimization problems. The lower bound theorem consists of finding the maximum collapse multiplier that will lead the soil to the imminence of collapse. The soil will still be restricted to equilibrium conditions and the yield criterion will have to be satisfied everywhere. Drucker- Prager was the yield criterion chosen. In this thesis, the optimization problem is reformulated as a second order cone programming (SOCP). SOCP is known to solve large-scale problems with great computational efficiency and we used the solver Mosek. The model calculates not only the collapse multiplier, but also the safety factor for the slope. A strength reduction scheme was proposed, based on the Newton-Raphson method. For complex geometries cases, a novel formulation was developed. A fictitious horizontal force was added at the equilibrium equation and uniquely this force was increased by the multiplier factor. It was only through this reformulation that it was possible to assess stability of slopes subjected to porepressure effects. The groundwater flow was simulated separately in a finite element program developed by Miqueletto (2007). The soil strength depends on porepressure values, which define soils as saturated or unsaturated.

[pt] Este trabalho de dissertação de mestrado apresenta a implementação da análise limite numérica com formulação mista-fraca, baseada no teorema do límite inferior, e sua aplicação em problemas de estabilidade axissimétricos. Aformulação com elementos finitos foi implementada no software Matlab, onde se estabelece o problema de otimização que compreende a definição da equação de equilibrio e a adaptação dos criterios de ruptura de Drucker-Prager e Mohr-Coulomb às programações cônica de segunda ordem e semidefinida, respectivamente, e que posteriormente é resolvido com o algoritmo Mosek Aps 9.2. Como resultado do problema de otimização o fator de colapso e o campo de velocidades podem ser obtidos, permitindo identificar o mecanismo de ruptura. O presente trabalho foca-se na análise de estabilidade de um poço que é executada em 3 fases, em função das condições consideradas no modelo. Os resultados obtidos da análise axissimétrica foram validados mediante analises em modelos tridimensionais e comparados com resultados dos softwares Plaxis 2D e Optum G2, também foram incluídos os resultados da modelagem MPM, com o sotware MPM-PUCRio. Por fim foi estudado o caso da capacidade de carga de uma fundação circular rasa, cujos resultados foram comparados com os apresentados por outros autores. / [en] This work dissertation presents the implementation of numerical limit analysis with mixed-weak formulation, based on the the lower bound limit theorem and its application in axisymmetric stability problems. The finite element formulation was implemented in Matlab, where the optimization problem is established, which comprises the definition of the equilibrium equation and the adaptation of the Drucker-Prager and Mohr-Coulomb rupture criteria to the second-order cone programming and semidefined programming, respectively, and which is later solved with the Mosek Aps 9.2 algorithm. As a result of the optimization problem, the collapse factor and the speed field can be obtained, allowing to identify the rupture mechanism.The present work focuses on the stability analysis of a well that is carried out in 3 phases, depending on the conditions considered in the model. The results obtained in the axissymmetric analysis were validated through analysis in three-dimensional models and compared with results of plaxis 2D and Optum G2 software, also included the results of MPM modeling, with the software MPM-PUCRio. Finally, the case of the load capacity of a shallow circular foundation is studied, the results of which are compared with those presented by other authors.