[pt] O presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma formulação e certas estratégias que permitam a análise da perda de estabilidade de colunas esbeltas submetidas a carregamento axial periódico, fenômeno este conhecido como ressonância paramétrica. Uma excitação é dita paramétrica quando aparece nas equações de movimento do sistema na forma de coeficientes variáveis com o tempo - geralmente periódicos - e não como uma não homogeneidade. A coluna é descrita pela formulação clássica de Navier. O presente trabalho trata a coluna considerando-se um e três graus de liberdade com ou sem não-linearidades. As equações de movimento são obtidas utilizando-se o princípio de Hamilton através do método de Ritz. A equação linear (equação de Mathieu) e a equação de Duffing com pequeno amortecimento, são resolvidas de forma aproximada pelo método das múltiplas escalas, revelando a possibilidade de instabilização da posição de equilíbrio em diversas regiões do espaço definido pelos parâmetros de controle. A mesma conclusão é mostrada utilizando-se procedimentos computacionais para a resolução dos sistemas de equações lineares e nãolineares, com ou sem imperfeição geométrica inicial, podendo-se obter assim, a resposta do sistema, planos fase, seções de Poincaré e diagramas de bifurcação. Mostra-se a partir dos resultados numéricos, que a coluna submetida a cargas axiais harmônicas, pode tanto apresentar soluções com o mesmo período da força excitadora, quanto oscilações subarmônicas e superarmônicas de diversas ordens, além de movimentos caóticos. / [en] The main aim of the present work is to develop a formulation and some strategies for the instability analysis of slender columns under an axial harmonic force this phenomenon is known as parametric ressonance. An excitation is said to be parametric if it appears as timedependent - often periodic - coefficients in the equations governing the motion of the system,and not as an inhomogeneous term.The column is described by Navier classical formulation. The present work consider the column with one or three degrees of freedom with or without nonlinearities. The equations governing the motion are obtained by the Ritz method.The linear equation (Mathieu equation) and the Duffing equation with small damping are solved in an approximate way using multiple scales techniques, revealing the possibility of destabilizing the static equilibrium position in certain regions of the control space. A similar conclusion is obtained by employing numerical methods for the solution of linear and nonlinear equation systems with or without initial geometrical imperfections.This enables one to obtain time response, phase space, projections Poincaré sections and bifurcation diagrams. These numerical results show that the column with nonlinearities and loaded by a periodic longitudinal force can present various solutions with the same period as the forcing and subharmonic e superharmonic oscillations, as well as chaotic motions.

[pt] O estudo de estacas semi-enterradas tem grande importância na construção civil devido principalmente à sua ampla aplicação em diversas áreas da engenharia. O presente trabalho tem como objetivo obter uma solução exata para as freqüências naturais e modos de vibração dessas estacas e, com base nestes resultados, analisar o comportamento do sistema não-linear. A análise das vibrações lineares parte da obtenção de um funcional de energia e dedução das equações diferenciais parciais de movimento para o trecho enterrado e desenterrado e a determinação das diversas famílias de soluções para cada equação de movimento em função dos parâmetros adimensionais característicos do problema. Essa solução exata possibilita mostrar a influência dos parâmetros de carregamento, de rigidez da fundação, da altura da fundação e das condições de apoio nas freqüências naturais e modos de vibração. A não- linearidade do problema é originária da geometria da estrutura e a sua consideração implica na obtenção de equações diferenciais não-lineares. A resolução destas equações é feita de forma aproximada, empregando-se o método de Ritz para discretizar a coluna no espaço e os métodos de Galerkin-Urabe e do Balanço Harmônico para resolver as equações de movimento resultantes do processo de discretização. Com base nestes resultados, analisa-se a influência dos parâmetros físicos e geométricos do sistema coluna-fundação nas vibrações livres e forçadas da estaca. / [en] The study of partially embedded piles is an important topic in civil engineering due to its use in several engineering fields. The aim of the present work is to derive an exact solution for the natural frequencies and vibration modes of these piles and, based on these results, to analyze the nonlinear behavior of the column-foundation system. In order to study the free vibration problem, the energy functional of the system is obtained, allowing the derivation of the partial differential equations of motion for the buried and unburied parts of the pile. The possible solutions of these equations are then obtained as a function of a set of non-dimensional parameters characteristic of the problem. The consideration of the geometric nonlinearity of the beam leads to a set of nonlinear differential equations. The solution of these equations is obtained by employing the Ritz method to discretize the column in space and the methods of Galerkin- Urabe and Harmonic Balance to derive an approximate solution for the resulting equations of motion. Based on these results, the influence of the geometrical and physical parameters of the column-foundation system on the free and forced non-linear vibrations of the pile is analyzed.

[pt] Colunas protendidas de aço representam uma excelente solução estrutural em escoramentos de grandes estruturas e em colunas de estruturas espaciais de apoio a lonas tensionadas de coberturas de grandes vãos. Após um estudo extensivo do comportamento teórico através do uso do programa ANSYS onde avaliou-se a geometria estrutural mais eficiente, níveis de protensão e características dos cabos de aço, foram então definidos os diversos ensaios experimentais a serem executados em colunas com doze metros de comprimento e com tubos de 89,3 mm de diâmetro. A característica inédita deste estudo é a execução de ensaios tri-dimensionais em escala real deste tipo de coluna. Foram executadas comparações de resultados teóricos com os obtidos experimentalmente e foram feitas recomendações de análise e projeto destas estruturas. / [en] Pre-stressed steel columns represent an efficient structural solution for a great variety of temporary/permanent supports systems including large span spatial structures using pre-tensioned fabrics. The first step of the present investigation comprised a painstaking investigation of the structural behaviour of these members with the aid of finite element simulations performed with the ANSYS program. Its results indicated trends for the determination of the most efficient structural geometries, steel ties pre-stressing levels and characteristics. With these results in hand, the investigation proceeded with full-scale experimental tests executed in twelve meters pre-stressed stayed steel columns with an approximately diameter of ninety millimetres. The main contribution of the present investigation was the conception, development and execution of new tri-dimensional full-scale tests for this load bearing systems. The test results enable theoretical and numerical results to be validated against experimental evidence later to be introduced in structural design codes.

[pt] O concreto é conhecido por ter um bom desempenho quando exposto a altas temperaturas pelo fato de apresentar baixa condutividade térmica, ser incombustível e não exalar gases tóxicos. Entretanto, devido à sua composição heterogênea, o concreto sofre alterações físicas, químicas e mecânicas que podem comprometer sua integridade estrutural. Em estruturas de concreto armado, deve-se ter atenção especial aos pilares, cuja capacidade portante é reduzida significativamente em altas temperaturas e seu colapso, de natureza brusca, pode resultar na instabilidade global da estrutura. As reduções nas propriedades mecânicas dos materiais aliadas a lascamentos, fissuras e deformações excessivas podem comprometer seu desempenho, tornando-se necessária a verificação da segurança em situações de incêndio. Com o objetivo de analisar a resistência residual de colunas de concreto armado submetidas a altas temperaturas, foram realizados ensaios de compressão em corpos-de-prova cilíndricos de concreto simples de 5x10 cm submetidos a diferentes temperaturas (200, 400, 600, 800 e 1000 graus Celsius) e de concreto armado de 15x30 cm com diferentes configurações de estribos e submetidos a distintos tempos de exposição (30, 60, 90 e 120 minutos). Em ambos os ensaios, os corpos-de-prova foram resfriados em temperatura ambiente. Os resultados do programa experimental comprovam a perda de resistência à compressão e seus valores foram comparados a modelos numéricos e ao Método da Isoterma de 500 graus Celsius constante na ABNT NBR 15200 de 2004 e no EUROCODE 2. / [en] Concrete is well-known for exhibiting good performance when exposed to elevated temperatures because its low thermal conductivity coefficient, noncombustible properties and reduced emission of toxic gases. However, due to its heterogeneous composition, concrete undergoes physical, chemical and mechanical alterations that can compromise its structural integrity. In reinforced concrete structures, special attention should be paid to the columns, in bearing capacity is reduced significantly at elevated temperatures and their collapse, naturally brittle, may result in overall instability of structure. Reductions in the mechanical properties of the steel and concrete combined with spalling, cracking and excessive deformation compromise its performance, making it necessary to verify the safety in fire situations. In order to analyze the residual strength of reinforced concrete columns submitted to elevated temperatures, compression tests were carried out on plain concrete cylindrical specimens of 5x10 cm exposed to different temperatures (200, 400, 600, 800 and 1000 degrees Celsius) and on reinforced concrete of 15x30 cm considering different stirrups configuration and exposure times (30, 60, 90 and 120 minutes). In both tests, the specimens were cooled to room temperature. The results of the experimental program demonstrate the loss of compression strength and their values were compared to those obtained numerical models and to the Isotherm Method of 500 degrees Celsius, recommended in ABNT NBR 15200 of 2004 and in EUROCODE 2.

[pt] Este trabalho tem como objetivo investigar o desempenho e a resistência de cantoneiras curtas de abas iguais pultrudadas em polímero reforçado com fibra de vidro (PRFV) submetidas à compressão centrada de curta duração. Os fundamentos teóricos associados ao comportamento de cantoneiras perfeitas e reais são apresentados e os resultados de um programa experimental que envolveu caracterização dos materiais e ensaios à compressão são reportados e discutidos. Ao todo, vinte e uma colunas bi-engastadas com diferentes razões largura/espessura das abas, comprimentos e propriedades mecânicas foram testadas. As forças críticas experimentais para o modo de flambagem à flexo-torção foram determinadas e comparadas com as previsões teóricas, apresentando boa concordância. A resistência à compressão de cada coluna foi obtida experimentalmente, discutindo-se a influência do comportamento pós-flambagem e das imperfeições na capacidade de carga final com relação à esperada para coluna perfeita e, finalmente, uma equação para resistência de coluna é proposta para resolver o problema. / [en] This paper aims to investigate performance and strength of glass-fiber reinforced polymer (GFRP) pultruded short equal leg angle columns subject to short-term concentric compression. Background theories associated with the behavior of perfect and real angle struts are presented and the results of an experimental program that involved material characterization and compression tests are reported and discussed. In all, twenty-one fixed-ended columns having different leg width-to-thickness ratio and lengths and mechanical properties were tested. Experimental critical loads for flexural-torsional buckling mode were determined and compared with theoretical predictions, showing a good agreement with each other. Compressive strength for each column was obtained, the influence of post-buckling behavior and imperfections in the final load-carrying capacity with respect to that expected for perfect column condition is discussed and, finally, a column strength equation is proposed to address the problem.

[pt] O presente trabalho tem por objetivo estudar o comportamento de colunas esbeltas parcialmente enterradas, quando submetidas a um carregamento axial de compressão. A fundação é representada, ora por um modelo linear, o qual considera que a reação exercida pelo solo é proporcional às deflexões da coluna, ora por um modelo não-linear no qual esta relação de proporcionalidade não é mais verificada. Para a modelagem da coluna, é usada a teoria inextensional de barras esbeltas. Inicialmente, mostra-se como são deduzidas as equações diferenciais do problema a partir dos funcionais de energia da coluna. No problema linear, buscam-se obter as cargas críticas e modos críticos da coluna. Neste caso, sua solução analítica é encontrada a partir da resolução do problema de valor de contorno usando-se um programa de álgebra simbólica. Também é obtida uma solução aproximada através do método de Ritz. Um estudo paramétrico detalhado analisa a influência das condições de apoio da coluna e altura e rigidez da fundação na carga e modo críticos. Entretanto, no caso nãolinear, as equações diferenciais são mais complexas, não permitindo a obtenção de uma solução analítica. É utilizado, então, o método de Ritz, no qual as soluções analíticas obtidas para o problema linear (autofunções) são usadas como funções de interpolação. Em seguida, chega-se à uma equação não- linear de equilíbrio, da qual se obtém o caminho pós-crítico da coluna. Os resultados do problema nãolinear são comparados com os obtidos através do método dos elementos finitos. / [en] In this thesis the behavior of slender, partially embedded columns under axial compressive forces is studied. The foundation is either represented by a linear model, which considers that the soil reaction is proportional to the column’s deflections or by a non-linear model in which this proportionality relation is not observed. The inextensional slender beam theory is used to model the column. Initially, the governing differential equations are deduced from the energy functional of the column-foundation system. In the linear problem, the critical loads and corresponding critical modes are looked for. In this case, an analytic solution is obtained by the solution of the associated boundary value problem, using a symbolic algebra software. An approximate solution is also found by Ritz’s method. A parametric study is conducted to study the influence of the column boundary conditions and foundation’s height and stiffness on critical loads and modes. However, in the non-linear case, differential equations are much more complex and an analytical solution is not possible. So, the Ritz’s method is used once again, in which the analytic solutions of the linear problem (eigenfunctions) are used as interpolation functions. After that, a non-linear equilibrium equation is obtained together with the column post-buckling path. These results are compared with the ones obtained using the finite element method.

[pt] Este trabalho tem como objetivo investigar o desempenho de colunas com seção I em polímeros reforçados com fibra de vidro (pGFRP) submetidas a cargas de compressão concêntricas de curta duração. Uma revisão bibliográfica acerca das teorias existentes é apresentada, incluindo os conceitos básicos de instabilidade, teoria de flambagem global e local, modos de falha de colunas perfeitas, bem como o comportamento de colunas reais. Um programa experimental foi conduzido, incluindo a caracterização dos materiais. Vinte e nova colunas – com três diferentes seções I e diferentes tipos de resina, propriedades mecânicas, bem como comprimentos – foram testadas. Do ponto de vista global, as colunas foram biengastadas. As placas constituintes, por sua vez, foram testadas com três diferentes condições de contorno: biengastadas (CC), biapoiadas (SS) e simplesmente em contato com as chapas de base da máquina de compressão (CB). Foi observado que a condição de contorno CB – a mais adotada em estudos anteriores -, se aproxima mais de um engaste do que de uma condição simplesmente apoiada. A distribuição não linear de deformações elásticas ao longo da seção também foi investigada. Finalmente, recomendações para um ensaio de flambagem local apropriado foram propostas. / [en] This work aims to investigate the performance of pultruded glass fiber reinforced polymer (pGFRP) I-section columns subject to short term concentric compression. A review of existing theories is presented, including the instability concepts, global and local buckling theories, perfect columns failure modes and the behavior of real columns. An experimental program including material characterization was conducted. Twenty-nine stubs – with three different I-sections geometries, having distinct flange width-to-section depth ratios (bf/d = 0.5; 0.75 and 1.0), mechanical properties, overall lengths and matrices – were tested. In a global point of view, the columns were fixed at both ends. The constituent plates, on the other hand, were tested with different end-conditions: clamped (CC), simply supported (SS) and simply in contact with base plates of the universal machine (CB). The third analyzed boundary condition, which is the most adopted in previous studies, was concluded to be closer to a clamped end-condition. The non-linear elastic strains distribution throughout the cross-section was also investigated. Finally, guideline recommendations for successful local buckling tests were proposed.

[pt] A perfuração de rochas duras ainda é um grande desafio para as empresas de perfuração e exploração de petróleo. Uma das linhas de pesquisas atuais consiste em combinar satisfatoriamente duas técnicas de aumento da taxa de penetração. Esta nova técnica vem sendo chamada de perfuração percussiva-rotativa auto-excitada. Esta dissertação se propõe a desenvolver o primeiro protótipo de um dispositivo que irá operar em ressonância e que será capaz de gerar forças dinâmicas expressivas. De forma resumida, este dispositivo será chamado de RIMD (Resonant Impact Device). Em princípio a idéia é construir um dispositivo em forma de uma caixa preta, na qual será montada na estrutura que vibra, tendo esta caixa dois ajustes, um calibrando a freqüência de ressonância do RIMD e outro agindo sobre os impactos (folga). É conhecido de trabalhos anteriores que o tamanho da folga também possui influência sobre a freqüência natural do sistema. Desta forma, existe uma interdependência entre ambos os ajustes. Um dos primeiros passos no projeto e desenvolvimento do protótipo do RIMD é o dimensionamento do mesmo, de forma que seja pequeno o suficiente para facilitar sua construção e instrumentação no laboratório de vibrações da PUC-Rio, bem como seja representativo do sistema em tamanho real (a ser implantado na coluna de perfuração). Os componentes do RIMD envolvem um sistema massa-mola com baixo amortecimento e algum dispositivo de impacto e de variação da folga. Após a concepção e construção do protótipo, os passos seguintes do estudo são a obtenção das características do RIMD, como a faixa de freqüências o qual atua e a medição das forças impulsivas geradas. Por último, o protótipo também servirá para validar um modelo analítico que permitirá investigações posteriores neste tema, podendo gerar outras possibilidades de construção do RIMD. / [en] Hard rock drilling is still a great challenge for oil companies. One current line of research involves combining the two existing drilling techniques in order to enhance the rate of penetration. This new technique is called Resonance Hammer Drilling. This dissertation proposes the design and development of the first prototype that will operate in resonance, and will be capable of generating considerable dynamic forces. This device will be known as the Resonant Impact Device, or RIMD. In principle the idea is to build some sort of black box, which will be mounted on a vibrating structure with two switches - one calibrating the RIMD resonance frequency and the other acting on the impacts - changing the size of the gap. It is known from previous work that gap size also has influence on the system natural frequency. Therefore there is a relationship between switches. One of the first steps of RIMD design and development is device dimensioning, necessary in order to construct a scale model at the Dynamic and Vibration laboratory at PUC-Rio representative of the real size system. The real size system will be mounted on the drillstring. RIMD components involve a mass-spring system with low damping and some impact and gap variation devices. The analysis of this prototype includes obtaining key characteristics such as the range of possible frequencies and the measurement of the generated impulsive forces. Finally, the built prototype will be used to validate an analytical model that will allow further investigations on this subject providing the way to other possible constructions.

[pt] Neste trabalho, apresenta-se um estudo dos processos de transporte e biodegradação do benzeno e da mistura benzeno/etanol em um solo contaminado, através de simulações em diferentes modelos. Nas simulações foi utilizado o programa de elementos finitos FEFLOW 6.1, para análise de fluxo e transporte de contaminantes. No estudo incorporou-se satisfatoriamente o modelo de reação cinético de Monod multiplicativo, para problemas de transporte de contaminantes, no módulo de reação definido pelo usuário (FEMATHED) do programa FEFLOW 6.1. Este modelo foi utilizado nas diversas simulações realizadas. Para encontrar os valores de parâmetros de Monod e da população bacteriana, simulou-se o comportamento de um bloco de solo in situ contaminado com benzeno usando dados experimentais publicado na dissertação de mestrado de Martins (2010). Como aplicação dos procedimentos estudados, foram simuladas duas colunas em PVC com amostras indeformadas de um solo residual (lisímetros), onde foi fornecida uma solução contaminante na direção vertical, contrário à gravidade, com a finalidade de avaliar ao longo da coluna, a biodegradação dos compostos de benzeno e a influência do etanol nesse processo. Além disso, avaliou-se o atraso da degradação do benzeno por causa da presença do etanol na zona saturada e pelo aumento de biomassa nos domínios simulados. O trabalho também mostra uma descrição do programa utilizado e sua formulação. Finalmente, apresenta-se, comentam-se os resultados e concluem-se a pesquisa. / [en] In this work was studied the transport and biodegradation processes of benzene and of the benzene/ethanol mixture in a contaminated soil using different simulation models. In the simulations, were used the finite element program called FEFLOW 6.1 for flow analysis and transport of contaminants. The study successfully incorporated the kinetic reaction model of multiplicative Monod, for contaminant transport problems, in a reaction module defined by the user (FEMATHED - FEFLOW 6.1). This model was applied in the simulations. To find the values of Monod parameters and bacterial population the behavior of an in situ benzene contaminated soil-block was simulated using experimental data published by Martins (2010). As an application of the studied procedures, two PVC columns filled with undisturbed residual soil were simulated (lysimeters). The lysimeters were vertically provided with a contaminant solution in the vertical direction opposite to gravity, in order to evaluate along the column, the biodegradation of benzene compounds and the influence of the ethanol in the process. In addition, was evaluated the delay of benzene degradation due to the presence of ethanol in the saturated zone and the increasing in biomass in the region of simulated model. This study also shows a description of the program used and its formulation. Finally, the results of the analyses and the incorporation of the model performed are presented, conclude and commented.

[pt] Colunas de aço estaiadas e protendidas são conhecidas como excelente solução em escoramento de grandes estruturas, como colunas de coberturas de lonas tensionadas, etc. Este trabalho apresenta uma série de ensaios experimentais tridimensionais em escala real desenvolvidos para determinação do comportamento estrutural de colunas de aço estaiadas e protendidas. Foram estudadas as variações no nível de protensão e na rigidez dos estais, além de descrever como os ensaios experimentais das três colunas de aço estaiadas são realizados: compreendendo os materiais utilizados; um novo sistema de medição de força nos estais; os passos e dificuldades na montagem das três colunas e o sistema de protensão aplicado. Existem alguns parâmetros que influenciam diretamente na resistência dessas colunas estaiadas, como por exemplo, a altura da coluna, o diâmetro externo, entre outros. Devido ao comportamento complexo deste tipo de colunas e ao grande esforço computacional para simulação do comportamento estrutural, através de uma análise paramétrica, optou-se por utilizar um projeto de experimentos junto com redes neurais a fim de extrapolar e obter novos resultados para carga crítica do sistema estrutural sem a necessidade de análise por programas de elementos finitos. De forma a complementar a tese, realizou-se um estudo do comportamento do sistema estrutural sujeito a ações dinâmicas através do programa de elementos finitos ANSYS com o objetivo de determinar as frequências naturais associadas aos seus modos de vibração. Também foi estudada a aplicação de um carregamento súbito para determinação do fator de amplificação dinâmico da coluna de aço estaiada e protendida. / [en] Prestressed steel columns are known as an efficient structural solution for great variety of temporary or permanent supporting systems for large span spatial frames and tensile surface structures. This work presents of full-scale three-dimensional tests carriedout for the assessment of structural behaviour of prestressed stayed steel columns. It was studied the effect prestress force level, stiffness of column braces and stays. Test setup and a new force measuring system for the column stays is fully described. Prestressed stayed steel columns have their strength dependant of parameters like: length, hollow section diameter, brace length and stiffness and axial stiffness of stays. Due to the complex behaviour of such columns that demands great computational effort for numerical simulations required for a parametric analysis it was used an experiment design tool coupled with neural network techniques employed to generate new data for the prestressed column buckling load. A study of the dynamic behaviour of prestressed columns using the finite element package ANSYS was carried-out in order to determine the column natural frequencies and their associated vibration modes. It was also studied the application of sudden loads to determine the dynamic amplification factor of this type of prestressed stayed steel column.