[pt] Funções Wavelet de suporte compacto têm sido recentemente aplicadas na resolução numérica de equações diferenciais com resultados bastante promissores. A partir do sucesso do uso das wavelets de Daubechies em diversos métodos como o de Galerkin, surgiram novas famílias de wavelets para a resolução de problemas específicos. Nesse contexto, vale destacar uma família de wavelets com características de funções interpoladoras chamadas Interpolets. Este trabalho tem como uma de suas contribuições a formulação de elementos finitos baseados em funções wavelet de Daubechies e interpolets de Deslauriers-Dubuc para sua utilização em problemas dinâmicos como a propagação de ondas em estruturas, além de problemas não-lineares como o cálculo de cargas críticas de flambagem para colunas e pórticos. A partir dessa formulação, o Método de Wavelet-Galerkin foi adaptado para a solução direta das equações diferenciais através de uma implementação que não depende da discretização do sistema em graus de liberdade (formulação sem-malha ou meshless). Este tipo de abordagem permite também explorar ao máximo as propriedades de multirresolução das wavelets. Diversos exemplos com descontinuidades e não-linearidades foram estudados com êxito. / [en] The use of compactly supported wavelet functions has become increasingly popular in the development of numerical solutions for differential equations. Daubechies wavelets have been successfully used as base functions in several schemes like the Galerkin Method. Meanwhile, Deslauriers and Dubuc developed a new wavelet family with interpolating characteristics called Interpolets. One important contribution presented in this work is the formulation of Finite Elements based in Daubechies wavelets and Deslauriers-Dubuc interpolets. Dynamic problems like wave propagation and structural stability problems were used as examples for the validation of the Finite Elements. The Wavelet-Galerkin Method has then been adapted for the direct solution of differential equations in a meshless formulation. This approach enables the use of a multiresolution analysis. Several examples with discontinuities and nonlinearities were studied successfully.

[pt] Nesta dissertação estuda-se a flambagem e o comportamento pós-crítico inicial de pórticos planos através da formulação de elementos finitos com graus de liberdade adicionais para posterior implementação no programa de análise FTOOL. Realizaram-se análises linearizadas para a determinação das cargas críticas clássicas e modos de flambagem de colunas com diferentes condições de contorno. Em um segundo momento, realizaram-se testes numéricos no sentido de prever a estabilidade do caminho pós-crítico (sensibilidade a imperfeições) de algumas estruturas cujos resultados analíticos são conhecidos. Finalmente, criaram- se alguns exemplos no FTOOL para comprovar a sua eficácia na obtenção de cargas críticas e avaliação do comportamento pós-crítico inicial de pórticos planos. Utilizou-se o pórtico de Roorda como exemplo para a detecção da sensibilidade a imperfeições, devido à sua simplicidade e ao conhecimento dos seus resultados analíticos. / [en] The buckling and post-buckling behavior of portal frames are studied by the formulation of finite elements with additional degrees of freedom in order to implement a new routine for obtaining critical loads in FTOOL, a structural analysis educational interactive system. Linearized analyses were performed in order to obtain critical loads and buckling modes for columns with different boundary conditions. Later, numerical tests were done in order to predict the stability of the post- critical path (sensitivity to imperfections) of some structures which analytical results are known. Finally, some examples were modeled in FTOOL to verify its accuracy in obtaining critical loads of portal frames. Roorda s frame was used as an example for the detection of the sensitivity to imperfections, based on its simplicity and knowledge of its analytical results.

[pt] Neste trabalho, são apresentadas algumas aplicações da otimização topológica para problemas de autovalor onde o principal objetivo é maximizar um determinado autovalor, como por exemplo uma frequência natural de vibração ou uma carga crítica linearizada, usando elementos finitos poligonais em domínios bidimensionais arbitrários. A otimização topológica tem sido comumente utilizada para minimizar a flexibilidade de estruturas sujeitas a restrições de volume. A ideia desta técnica é distribuir uma certa quantidade de material em uma estrutura, sujeita a carregamentos e condições de contorno, visando maximizar a sua rigidez. Neste trabalho, o objetivo é obter uma distribuição ótima de material de maneira a maximizar uma determinada frequência natural (para mantê-la afastada da frequência de excitação externa, por exemplo) ou maximizar a menor carga crítica linearizada (para garantir um nível mais elevado de estabilidade da estrutura). Malhas poligonais construídas usando diagramas de Voronoi são empregadas na solução do problema de otimização topológica. As variáveis de projeto, i.e. as densidades do material, utilizadas no processo de otimização, são associadas a cada elemento poligonal da malha. Vários exemplos de otimização topológica, tanto para problemas de frequências naturais de vibração quanto para cargas críticas linearizadas, são apresentados para demonstrar a funcionalidade e a aplicabilidade da metodologia proposta. / [en] In this work, we present some applications of topology optimization for eigenvalue problems where the main goal is to maximize a specified eigenvalue, such as a natural frequency or a linearized buckling load using polygonal finite elements in arbitrary two-dimensional domains. Topology optimization has commonly been used to minimize the compliance of structures subjected to volume constraints. The idea is to distribute a certain amount of material in a given design domain subjected to a set of loads and boundary conditions such that to maximize its stiffness. In this work, the objective is to obtain the optimal material distribution in order to maximize the fundamental natural frequency (e.g. to keep it away from an external excitation frequency) or to maximize the lowest critical buckling load (e.g. to ensure a higher level of stability of the structures). We employ unstructured polygonal meshes constructed using Voronoi tessellations for the solution of the structural topology optimization problems. The design variables, i.e. material densities, used in the optimization scheme, are associated with each polygonal element in the mesh. We present several topology optimization examples for both eigenfrequency and buckling problems in order to demonstrate the functionality and applicability of the proposed methodology.

[pt] Para o uso do bambu como material de engenharia é necessário realizar uma análise estatística completa das propriedades físicas, mecânicas e mesoestruturais dos colmos. Desde 1979, no Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio foram desenvolvidos, sob a orientação do professor Khosrow Ghavami, vários programas de investigação para o emprego do bambu e fibras vegetais na construção de edificações de baixo custo, substituindo produtos de asbesto cimento e de materiais poluentes e não renováveis . Como parte desta linha de pesquisa, pretende-se continuar os estudos para estabelecer as propriedades dos bambus apropriados para serem utilizados na construção civil. O presente trabalho concentra-se na caracterização da espécie Phyllostachys aurea, tão utilizada no mundo do artesanato e arquitetura pela sua beleza, porem tão pouco estudada no campo de engenharia, para que os resultados obtidos possam contribuir para a valorização desta espécie, incentivando seu uso na construção civil. Esta dissertação tem como objetivos principais: caracterizar as propriedades físicas, mecânicas e mesoestruturais dos colmos inteiros de bambu da espécie Phyllostachys aurea, analisando a influência das imperfeições geométricas iniciais no comportamento à flambagem . A determinação experimental das propriedades mecânicas dos colmos de bambu submetidos a ensaios de tração, cisalhamento e compressão são apresentadas, analisando-se a influência dos tratamentos preservativos na resistência mecânica dos colmos. / [en] The use of bamboo in civil construction requires a thorough analysis of its physical, mechanical and mesostructural properties. For this purpose several investigations have been carried out in the Civil Engineering Department at PUCRio since 1979. Other vegetal fibers have been studied as well for their feasibility to be used as low cost building materials in order to substitute asbestos cement products in addition to non-renewable and polluting materials such as steel and aluminum. This present study is the continuation of the investigation to establish the engineering properties of the bamboo's appropriate for civil construction. This work concentrates on the bamboo species Phyllostachys aurea which is utilized frequently in the interior design and architectural project, and in general in civil construction about which there is very little scientific information in the available national and international literature. The principal objectives of this study were to establish the physical, mechanical and mesostructural characteristics of the whole culms of the bamboo species Phyllostachys aurea and to analyze how its specific geometric imperfections influence the buckling behavior of the culm. The experimental analysis of the bamboo culm, concerning the static tensile, shear and compressive properties is presented as well as the influence of preservative treatments on their performance.

[pt] Neste trabalho apresentam-se três tipos de técnicas de análise do colapso estrutural através do método dos elementos finitos: análise linearizada da carga crítica, análise incremental da carga crítica e análise não linear completa. Na análise linearizada da carga crítica formulou-se um problema de autovalor empregando matrizes de rigidez baseadas na configuração indeformada da estrutura e materiais com comportamento linear elástico. No caso da análise incremental da carga crítica, o problema de autovalor foi formulado empregando matrizes de rigidez incrementais para levar em consideração os grandes deslocamentos e propriedades não lineares do material. Finalmente, na análise não linear completa a configuração deformada da estrutura e propriedades não lineares do material são atualizadas durante todo o processo incremental-iterativo até atingir a carga crítica. Desenvolveu-se uma implementação computacional para estudar as três técnicas de análise em estruturas planas como vigas, colunas, pórticos e arcos, empregando elementos isoparamétricos bidimensionais para estado plano de tensões. A configuração deformada da estrutura, devido aos grandes deslocamentos e rotações dos elementos, foi considerada através de uma formulação Lagrangeana Total, enquanto o comportamento inelástico do material foi modelado empregando um modelo elastoplástico de Von Mises (J2) com encruamento isotrópico. Nos exemplos apresentados mostrou-se a influência da não linearidade geométrica e física na estimativa de cargas críticas e no comportamento pós-crítico, podendo ocorrer bifurcações ao longo da trajetória de equilíbrio fundamental definida no espaço carga-deslocamentos. / [en] This work presents three kinds of techniques for collapse analysis using the finite element method: linear buckling analysis, nonlinear buckling analysis and full nonlinear analysis. The linear buckling analysis requires the definition of an eigenvalue problem using a stiffness matrix formulation based on the initial configuration of the structure and under the assumption of a linear elastic material behavior. In the case of nonlinear buckling analysis, the eigenvalue problem was formulated employing an incremental stiffness matrix in order to consider the effects of large displacements and nonlinear material properties in the critical load estimation. Finally, the full nonlinear analysis takes into account the deformed configuration and the nonlinear material properties of the structure, updating both of them through all the incremental-iterative process up to reaching the critical load. A Finite Element computational program, using plane stress isoperimetric bidimensional elements, was developed to study the three analysis techniques applied to plane structures such as beams, columns, frames and arches. The deformed configuration of the structure, due to large displacements and rotations, was considered through the Total Lagrangian formulation, whereas the inelastic material behavior was modeled using the Von Mises plasticity model with isotropic hardening. The examples presented in this article show the influence of geometric and material nonlinearity in the critical load estimation and the postcritical behavior, being this the reason for the potential occurrence of bifurcation points over the fundamental equilibrium path defined in the load-displacement space.