[pt] Desmontes de maciços rochosos são geralmente executados pela perfuração da rocha,colocação de explosivos no interior dos furos e a detonação das cargas de acordo com um plano de fogo preestabelecido. A detonação gera no interior das perfurações uma elevação súbita de temperatura e um grande volume de gás que, devido às pequenas dimensões dos furos, aplica altas pressões em suas paredes. Como resultado da pressurização dos furos,ocorrem o esmagamento e fraturamento da rocha situada nas vizinhanças e a propagação de fortes ondas de tensão pelo interior do maciço.O engenheiro de desmontes deve conhecer as propriedades de resistência e de deformabilidade dos materiais rochosos quando submetidos a carregamentos dinâmicos e compreender a natureza das forças dinâmicas geradas pela detonação das cargas explosivas. Em vista da complexidade do problema real, faz-se muitas vezes simplificações no modelo matemático de comportamento do maciço rochoso, como a introdução das hipóteses de que a rocha na região do desmonte é isotrópica e homogênea, o que na grande maioria das situações é adequado para compreensão dos mecanismos gerados pela detonação e de seus efeitos. Neste trabalho desenvolve-se um programa computacional para simulação do fraturamento dinâmico de um maciço rochoso, isotrópico, homogêneo e de comportamento frágil, a partir da explosão de um ou mais furos de detonação, pelo método dos elementos finitos. No modelo numérico, o fraturamento dinâmico ocorre devido à propagação das ondas de tensão, desconsiderando-se a influência da pressão dos gases no interior das fraturas.O software apresenta como principais características a geração automática de malha de elementos finitos durante o processo de fraturamento, a integração numérica das equações de movimento no domínio do tempo, o emprego de critérios baseados nos fatores de intensidade de tensão para análise da propagação das fraturas, a utilização de amortecedores viscosos nos contornos da malha para simulação da radiação de ondas, a imposição da impenetrabilidade entre paredes de fraturas, o que torna o problema de natureza não- linear, etc. Os estudos numéricos aqui apresentados analisam o desenvolvimento de fraturas a partir da explosão em um e dois furos de detonação, investigando aspectos como a influência do número e da distribuição de fraturas principais, abertura e fechamento dinâmico de fraturas, etc., além de discutir dificuldades numéricas relacionadas com a simulação de tão complexo fenômeno. / [en] Rock blasting are usually carried out by drilling slender holes into a rock mass and detonating explosive charges in their interiors. The detonation produces a fast increase in the temperature surrounding the holes and a huge gas expansion that will apply high pressures on the walls. Crushing and fracturing of the rock will occur as a consequence of the shock waves generated by this dynamic loading. Blasting engineer should know the strength and deformation characteristics of rocks under dynamic loading in order to better understand and estimate the effects caused by the explosion. Rock blasting is a very complicate problem whose simulation, to avoid insurmountable mathematical difficulties, needs to be developed under some simplifying assumptions such as isotropy, linear elasticity and brittle behavior of the material. In this work a computational program based on the finite element method was developed for dynamic analyses of rock blasting. The fracturing is considered to be primarily caused by the stresses induced by P and SV waves. The effects of the gas pressure inside the fractures were neglected at the time being. The software has the following main features: automatic generation of finite element meshes while fracturing is still detected in the rock mass, numerical integration of the equations of motion in the time domain, use of fracture propagation criteria based on stress intensity factors in mixed mode I-II, consideration of silent mesh boundaries to absorb the incident stress waves and a penalty method to enforce the impenetrability condition between the surfaces of a same fracture, etc. The numerical examples herein presented qualitatively indicate that the proposed model is satisfactory for the case of dynamic fracturing of brittle rocks. They also discuss several important aspects related to the numerical simulation, such as the number and distribution of predominant fractures around the blasting hole, the finite element size, loss of symmetry due to mesh configurations, etc.

[pt] Na atualidade, devido à necessidade de realizar obras de engenharia de grande porte em ambiente urbano, o engenheiro defronta-se muitas vezes com o desafio de executar escavações profundas, as quais devem ser projetadas para serem estáveis e limitar deformações a níveis aceitáveis. Uma escavação profunda estável é aquela cujas paredes não colapsam e o seu fundo não experimenta levantamento descontrolado. Deformações do solo podem afetar construções vizinhas, vias urbanas e outras instalações públicas, com consequências que dependem tanto da magnitude quanto do padrão do movimento do solo ao redor da escavação. A previsão do comportamento de uma escavação profunda envolve análises tanto de estabilidade quanto de deformação. Análises de estabilidade podem em geral ser feitas através de métodos de equilíbrio limite, mas as análises de deformações, por outro lado, são mais difíceis de serem previstas, necessitando do auxilio de métodos numéricos. Nesta dissertação, o comportamento de escavações profundas é investigado numericamente pelo método de elementos finitos, com especial atenção à ocorrência de deformações, para cuja previsão requer-se a utilização de modelos constitutivos que representem muitos dos aspectos de comportamento de solos reais. / [en] At the present, due to the need for engineering works of large scale in urban environment, the engineer is confronted often with the challenge of performing deep excavations, which should be designed to be stable and with acceptable levels of deformations. A stable deep excavation is that, whose walls do not collapse and its base does not experience uncontrolled heave. Soil deformations can affect neighboring buildings, urban roads and other public facilities, with consequences that depend on both the magnitude and the pattern of the movement of the soil around the excavation. The prediction of the behavior of a deep excavation therefore involves stability analysis as well as deformation analysis. Stability analysis can generally be made through limit equilibrium methods, but deformation analyses are more difficult to predict, requiring the assistance of numerical methods. In this dissertation the behavior of deep excavations is numerically investigated by the finite element method, with special attention to the occurrence of deformations, for this prediction requires the use of constitutive models that represent many aspects of behavior of real soils.

[pt] O método tipo-Jacobi quaterniônico foi proposto em 1993. Vários estudos provaram sua convergência e melhoram a teoria proposta desde então. O presente trabalho realiza uma síntese do método tipo- Jacobi quaterniônico, apresentando aplicações do mesmo a diferentes tipos de matrizes. / [en] The quaternionic Jacobi method was proposed on 1993. Lots of studies has proved his convergence and also has improved the theory proposed. This document makes a survey of this method.

[pt] Durante a vida produtiva de um poço de petróleo, problemas devido à produção de sólidos podem ocasionar gastos excessivos por danos nos equipamentos ou redução de produtividade do poço. Por causa destes problemas, a instalação de sistemas de contenção de sólidos na etapa de completação é uma das mais complexas e fundamentais fases na construção do poço. A alteração no estado de tensões atuante sobre a formação é uma das principais fontes de carregamento dos sistemas de contenção mecânica de sólidos. Este trabalho visa simular as tensões atuantes no sistema de contenção de sólidos (gravel packing e stand alone) instalados em uma formação com potencial de produção de sólidos, permitindo a otimização de projetos para este tipo de sistemas. Para isso foi utilizado o modelo de Mohr Coulomb solucionado numericamente no software comercial de elementos finitos Abaqus que foi escolhido devido a sua enorme capacidade de resolver problemas não lineares. Os resultados obtidos foram então comparados com ensaios experimentais que apresentaram comportamento bastante semelhante com os obtidos numericamente. Além disso, foi observada a capacidade do gravel packing de suportar as tensões até determinado estado de tensões. / [en] During the production steps of a petroleum well, issues regarding sand production may have hight costs due to damages in the equipment or reduction of the well’s productivity. Such problems make the application of sand control systems in the completion phase one of the most complex and essential parts in the construction of the well. This work aims to simulate the behavior of different sand control methods (gravel packing and stand alone) taking into account mechanical interaction between the formation and sand control screens. For the development of the present study, elastoplastic (Mohr Coulomb) models are used to represent granular materials with the commercial FEM software Abaqus, chosen due to its versality in the solution of non-linear problems named out previously. Numerical simulations were compared to experimental tests which presented similar behavior regarding the numerical analysis. In addition, it was observed the capability of the gravel packing to withstand the stresses up to a certain state of stress.

[pt] A utilização de materiais geossintéticos como reforço em obras geotécnicas vem crescendo bastante nas últimas décadas. A geogrelha, cuja função primária é o reforço de solos, é um entre os diversos tipos de geossintéticos, que vêm sendo utilizados. Diversas são as formas de interação da geogrelha com o solo em um maciço reforçado e o entendimento dos mecanismos que se desenvolvem nestas interações é essencial, pois só a partir daí pode-se obter parâmetros confiáveis para projeto. Pesquisas vêm sendo realizadas por diversos autores, mas muitos aspectos ainda devem ser estudados para que se tenha uma melhor compreensão do comportamento de solos reforçados com geogrelhas. A utilização de uma ferramenta numérica pode ser uma alternativa para que consigamos dar um passo adiante no entendimento da técnica de solo reforçado. Então, modelagens numéricas de ensaios triaxiais e de cisalhamento direto em solos reforçados e não reforçados foram realizadas com a utilização do programa Plaxis. Foram analisadas a influência do reforço no aumento da rigidez e resistência do solo e a resistência de interface solo-reforço. Para calibrar o programa e validar as análises numéricas, foram realizadas retro-análises dos ensaios realizados por Sieira (2003), onde se definiram aspectos importantes para modelar os ensaios, tal como, a melhor forma de impor as condições de contorno. Os resultados obtidos nas análises numéricas dos ensaios triaxiais sugerem que o programa Plaxis permite de forma razoável a reprodução dos ensaios reforçados, sendo possível prever o ganho de resistência do solo com a inclusão do reforço. Uma análise alternativa, onde se aplica um incremento de tensão confinante representativo da influência do reforço, foi também realizada. As análises numéricas dos ensaios de cisalhamento direto em solo arenoso não reforçado permitiram verificar a rotação do eixo das direções das tensões principais quando é aplicado carregamento cisalhante e a presença de uma zona central de cisalhamento (zona de cisalhamento). A resistência de interface sologeogrelha não foi bem reproduzida, indicando que o Plaxis não permite este tipo de avaliação. Quando os reforços encontravam-se inclinados, verificou-se a maior eficiência do reforço rígido e fazendo ângulo de 60º com a superfície de ruptura. / [en] The use of geosynthetic materials as reinforcement in geotechnical engineering works is significantly increasing over the past decades. Geogrid, whose primary functions is reinforcing the soil mass, is one of the geosynthetics that has been used. In a reinforced soil structure, there are different types of interaction between soil and geogrid. To be possible to obtain reliable design parameters is essential to know the mobilized mechanisms in the interaction. This situation has been investigated by many researchers, but there are still many aspects to be better understood about geogrid reinforced soil behavior. In this research, numerical tools have been used to improve our knowledge about reinforced soil techniques. Numerical modeling of triaxial and direct shear tests on reinforced and non reinforced soils were carried out using software Plaxis. It was verified the resistance and stiffness increase of the soil due to geogrid inclusion and the interface soil-reinforcement resistance parameters. To calibrate the software and to validate the numerical analyses, back-analyses of the tests carried out by Sieira (2003) were done. These results helped to define important aspects to the tests modeling such as geometry and tests boundary conditions. The numerical analyses of the triaxial tests suggest that the software Plaxis reasonably allow an adequate reproduction of the reinforced soil tests. It was possible to foresee the increase of soil resistance because of reinforcement inclusion. In addition, an alternative analysis, where one applies a confining stress that reproduces the reinforcement influence, it was done. Numerical analyses of non reinforced direct shear tests had numerically evidenced the rotation of the axis of the principal stresses directions and the presence of a central zone of shear (shear zone). The soil- geogrid interface resistance was not well reproduced, indicating that Plaxis does not allow this type of evaluation. To inclined reinforcement relative to failure plane, it was verified the maximum gain of resistance is achieved with inclined reinforcement at 60º and when rigid geogrids are used.

[pt] Em geral, a análise da estabilidade e a análise das respostas de poços de petróleo são realizadas de forma determinística em relação às propriedades mecânicas e hidráulicas do meio rochoso. No entanto, sabe- se que os meios rochosos e em particular rochas sedimentares, podem mostrar um considerável grau de heterogeneidades, em micro, meso e macro-escala. Essas heterogeneidades produzem variabilidade espacial nas propriedades mecânicas e hidráulicas dos meios rochosos. Essa variabilidade mostra em geral um caráter espacial pronunciado. O presente estudo propõe o desenvolvimento de procedimentos de análise numérica, utilizando elementos finitos, de processos fluido mecânicos acoplados, monofásicos e bifásicos, que levem em conta a variabilidade espacial de propriedades hidráulicas e mecânicas e a variabilidade das condições iniciais de tensões e poro pressões. Nesse estudo, empregam-se os procedimentos numéricos desenvolvidos em duas fases distintas. Na análise probabilística da estabilidade de poços e na análise probabilística das respostas dos poços durante a produção, considerando o acoplamento fluido mecânico com fluxo bifásico. / [en] In general, borehole stability analysis and borehole response analysis are carried out considering that both hydraulic and mechanical parameters of the rock mass are deterministic. However, it is a well known fact, that rock masses and in particular sedimentary rock masses may show a considerable degree of heterogeneity, in micro, meso and macro scale. These heterogeneities produce spatial variability in mechanical and hydraulic properties of the rock medium. This variability can be very pronounced. The present work proposes the development of numerical analysis procedures, using finite elements, in order to analyze single and two phases flow, coupled fluid mechanical processes that take into account the spatial variability of hydraulic and mechanical properties and the variability of the initial stresses and pore pressures. In this study, the developed numerical procedures are used in two distinct phases. In the borehole stochastic stability analysis and in the borehole stochastic response analysis during the production, considering fluid mechanical coupling and two phase flow.

[pt] Na última década em Computação Gráfica, foram desenvolvidas várias técnicas de simulação do comportamento de objetos como corpos rígidos, água, fumaça, cabelo e tecido. Enquanto essas técnicas se concentram em modelos físicos simplificados através de fluidos newtonianos monofásicos ou de sólidos ideais, propomos aqui novas técnicas de simulação de fluidos viscoplásticos e multifásicos baseadas numa abordagem lagrangeana da equação de quantidade de movimento. Essas técnicas consistem na discretização do fluido através de um sistema de partículas ao invés dos tradicionais métodos baseados em malhas. A simulação computacional da dinâmica de fluidos é feita utilizando o método numérico conhecido como SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Nessa tese, representamos um material viscoplástico como um fluido não-newtoniano que varia entre os estados sólido e líquido, e de alta para baixa viscosidade dependendo de uma força externa aplicada ao material ou de sua própria temperatura. A simulação de fluidos multifásicos é realizada através de um método híbrido malha-partícula a fim de garantir a incompressibilidade no método SPH. / [en] In the last decade in Computer Graphics, they were development many techniques to simulate the behavior of objects such as rigid bodies, water, smoke, hair and cloth. While these techniques focus in simplifled physical models through monophase fluids or ideal solids, we propose new simulation techniques of viscoplastic and multiphase fluids based on a lagrangian approach of momentum equation. These techniques consist in the fluid discretization through particles system instead of traditional grid-based methods. The computational fluid dynamics is performed using the method called SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). In this thesis, we represent a viscoplastic material like a non-newtonian fluid that it varies between solid and liquid states, and from low to high viscosity depending on the external force applied on material or its own temperature. The simulation of multiphase fluids is made using a hybrid method grid- particle to guarantee the incompressibility of SPH method.

[pt] O presente trabalho concentra-se na caracterização geológica-geotécnica e hidrogeotécnica de uma pilha de estéril temporária, proveniente de rocha itabirítica, e de seu entorno, a fim de apresentar as possíveis condicionantes geradoras das elevadas pressões hidrostáticas medidas na fundação desta pilha. Com base nesta caracterização, criou-se um modelo hidrogeológico das condições de escoamento da água subterrânea pelo material estéril e pelas regiões adjacentes desta pilha, utilizando os programas computacionais SlideÒ e VisualModflowÒ. Em ambos os resultados apresentados pelos modelos computacionais, observou-se que a sub-pressão existente na fundação da pilha de estéril está diretamente associada a dois fatores: (i) aos condicionantes geológicos do local e (ii) ao índice pluviométrico do ano de 2005. / [en] This study focuses on the geological, geotechnical and hydrogeotechnical characterization of a temporary waste pile, made of itabiritc rock, and of its surrounding area, and presents possible causes for the high pore pressures measured at the waste pile foundations. Based on this characterization, a computer models of this scenario were developed using both Slide and VisualModFlow softwares. In both cases, results indicate that the high pore pressures are directly related to two main causes: (1) to local geological conditions and boundaries and (2) to high rainfall rate recorded in 2005.

[pt] O concreto têxtil é um material compósito com qualidades de alta resistência e peso reduzido, combinadas com potencial ecológico nas áreas de construção e arquitetura. No entanto, importantes aspectos mecânicos seguem irresolutos, postergando a ampla utilização deste material compósito. Um programa experimental é apresentado para apurar os parâmetros-chave do concreto têxtil, composto de ensaios de tração uniaxial em compósitos reforçados com carbono. Diferentes processos de fabricação, tamanhos de corpo de provas e coatings de tecido são utilizados. Então, um modelo de Elementos Finitos (FE) é proposto e validado através de dados coletados em ensaios de tração direta e round panel. O modelo de EF é composto por uma estrutura sanduíche, contendo matriz cimentícia, tecido e interface. Uma resposta constitutiva específica é atribuída a cada tipo de elemento. Os testes de tração uniaxial simulados apresentaram excelente concordância com os resultados experimentais, tanto nas curvas de tensão-deformação, quanto nos mechanismos de tranferência de esforços entre os componentes do material compósito. Os resultados obtidos dos testes de round panel apresentaram diferença nas curvas de tensão-deformação, mesmo com a presença dos mecanismos de transmissão de esforços no material. / [en] Textile Reinforced Concrete (TRC) offers high-strength and light-weight capabilities combined with ecological potential in construction and architecture spheres. However, important mechanical aspects of TRC are still unresolved, delaying broad utilization of the composite material. An experimental program to measure key parameters of TRC is presented, consisting of uniaxial tension tests in carbon-reinforced TRCs. Different manufacture processes, sizes of test specimen and textile coatings were used. Then, a Finite Elements (FE) model is proposed and validated with experimental data acquired from uniaxial tension and round panel tests. The FE model is made of a sandwich-like structure, containing cementitious matrix, textile and interface elements. A specific constitutive response is assigned to each phase of the composite material. The uniaxial tension tests simulated in the FE model showed excellent agreement with the experimental program, both in the stress-strain curve and stress-transfer mechanisms inside the composite. The results obtained from the simulated round panel tests exhibited differences in the stress-strain curve, but the stress transfer mechanisms were observed.

[pt] Na presente tese, a equação de energia é resolvida para uma tira de aço bi-dimensional que se move com velocidade constante através de um forno contínuo e é submetida a várias condições diferentes de radiação de convecção. As equações de discretização foram obtidas utilizando a técnica de diferenças finitas com enfoque em volume de controle. O conjunto destas equações indicou os sete parâmetros adimensionais do problema. Por se tratar de uma equação elíptica, a solução foi inicialmente encaminhada para a determinação dos comprimentos de tira antes e após o forno, além dos quais desapareceria o efeito da condução de calor axial no interior da tira. Os resultados mostraram a possibilidade de substituição da condição de contorno após o forno, passando-se então a considerar uma seção transversal da tira situada próxima à saída do forno. A nova condição de contorno foi estabelecida por um balanço de fluxos de calor por condução, convecção e emissão radiativa na referida seção da tira. A partir da análise de influência de cada parâmetro adimensional sobre a distribuição e temperatura da tira, foram selecionados como mais importantes o número de Peclet relativo à taxa de produção do forno, o parâmetro de radiação incidente relativo ao consumo de combustível e parâmetro geométrico que exprime a razão entre as dimensões da tira. Uma análise da eficiência na transferência de calor foi então realizada, avaliando os citados parâmetros diante dos requisitos de obtenção de uma determinada temperatura média da tira e de uma elevada homogeneidade de temperatura em sua reação transversal localizada próxima à saída do forno. Ao promover-se a divisão do forno em três zonas e a adoção de diferentes fluxos de radiação incidente, foi possível simular situações operacionais típicas que ocorrem nos fornos de reaquecimento de placas de uma usina siderúrgica e efetuar comparações com dados disponíveis em literatura. / [en] In the present thesis the energy equation is solved for the temperature distribution in a two dimensional steel strip, which moves with Constant velocity through a furnace and is submited to several different radiation and convection fluxes. Steady state conditions are supposed to exist, if the reference frame is attached to the furnace walls. Thus, one more term arises in the energy equation to take into account the strip movement. The non-linearity of the problem is restricted to the radiation boundary conditions. The discretized algebraic equations are set up, utilizing a finite difference, scheme with the control volume approach. The complete set of equations has shown that there are seven non-dimensional parameters to be specified. Due to the elliptic nature of the equation, it was stabilished that at some distance before and after the furnace, the axial heat conduction in the strip would vanish. A first attempt was done in order to find these distances. The results have shown that the boundary condition after the furnace, the axial heat conduction in the strip would vanish. A first attempt was done in order to find these distances. The results have shown that the boundary condition after the furnace could be substituted, taking a section of the strip closer to the furnace outlet and simply stating the heat flux balance in terms of conduction, convection and radiant emission, considering that this is an end of the strip. Examining the resultant temperature profiles and the heat exchanged by the strip, the influence of each non-dimensional parameter was investigated. Three of them are believed to be the more important: the péciét number related to the furnace rate of production, the incident radiation parameter related to the rate of fuel consumption and the geometrical aspect ratio of the strip. A thermal abalysis of the furnace was then carried out, in order to achieve prescribed data on averade temperature of the strip at the furnace outlet, degree od temperature homogenelty in the strip and heat transfer efficiency. To make a more realistic simulation of the furnace, it was also subdivided into three cones of different incident radiation fluxes and then typical operational situations could be reproduced, as they usually occur in slab reheating furnaces. These simulations were compared with data available in the literature, showing a reasonable qualitative accordance with them.