[pt] Esta dissertação descreve a extensão de uma ferramenta educacional (LESM – Linear Elements Structure Model), desenvolvida na PUC-Rio e implementada no ambiente do MATLAB, para dimensionamento de pórticos metálicos bidimensionais seguindo os preceitos da norma brasileira NBR8800:2008. Todas as etapas de desenvolvimento são descritas detalhadamente, trazendo também referências à norma utilizada, visto que a funcionalidade deve atender rigorosamente a seus preceitos. As etapas adotadas são: levantamento de requisitos da funcionalidade, levantamento de requisitos do software, análise, projeto do programa, codificação, teste e operação. Vale ressaltar que todos os desdobramentos das etapas são baseados na linguagem orientada a objetos MATLAB, na qual o software LESM foi desenvolvido. As etapas de desenvolvimento são elucidadas através de esquemas UML (Linguagem de Modelagem Unificada) para que haja maior entendimento dos relacionamentos organizacionais e processuais utilizados. Dessa maneira podem ser traçados comparativos das novas estruturas de dados implementadas com as anteriormente disponíveis na documentação do LESM. Além disso, apesar da linguagem predominante utilizada no desenvolvimento ser a linguagem do MATLAB, há menções relacionais à JavaScript, utilizado para elaborar alguns recursos da nova funcionalidade. Por fim, após esclarecer todas as nuances do processo de desenvolvimento, são modelados exemplos práticos utilizando o LESM com o intuito de demonstrar a nova funcionalidade adicionada e a acurácia de seus resultados. / [en] This document describes the extension of an educational tool (LESM – Linear Elements Structure Model), developed on PUC-Rio and implemented in the MATLAB environment for metallic dimensioning of 2D frames, following the precepts of the Brazilian dimensioning standard, NBR8800:2008. The entire development steps are described in details, along with references of the standard used, since the new feature must strictly attend its precepts. The order of the adopted steps is: feature requirements gathering, software requirements gathering, analysis, program project, coding, test and operation. It is worth mentioning that all of the steps are based on the objects oriented language MATLAB, which the software LESM was developed. The previously mentioned phases are elucidated through UMLs schemes for a better understanding of the organizational relationships and processes used. Thus, comparatives of the implemented new data structure with the previously available in LESM documentation, disposed in UML diagrams, can be traced. Furthermore, despite the predominant language used in the development is MATLAB, will be also mentions to JavaScript, used to elaborate some resources of the new feature. Finally, after clarifying all aspects of the development process, practical examples using LESM are modeled to demonstrate the new feature along with the results accuracy.

[pt] Na indústria do petróleo e gás, uma das atividades de maior importância é a intervenção em poços para serviços de manutenção, a qual é necessária para garantir a produção de petróleo. Estas intervenções são realizadas por sondas workover que são disponibilizadas para atender uma grande quantidade de poços segundo um itinerário. Nesta tese são propostos três modelos de programação linear inteira para abordar eficientemente o problema de intervenção em poços terrestres de petróleo. O primeiro modelo determina o itinerário de um conjunto de sondas homogêneas, visando minimizar a perda total de produção. Este modelo é um aprimoramento do modelo proposto por Costa e Ferreira Filho (2004). O segundo modelo é uma extensão do anterior e considera também o dimensionamento de uma frota de sondas heterogênea, procurando minimizar o custo de perda de produção e o custo de aluguel de sondas. O terceiro modelo é uma abordagem estocástica que estende o segundo modelo e consiste em dimensionar uma frota de sondas considerando o tempo de intervenção incerto. A incerteza do tempo de intervenção é representada mediante a geração de cenários, usando para este fim os métodos de Monte Carlo, Redução de Cenários e Quasi-Monte Carlo. Os testes de estabilidade propostos por Kaut e Wallace (2003) são aplicados para avaliar os métodos de geração de cenários e estabelecer o número de cenários adequados para resolver o problema. Para avaliar o desempenho dos modelos propostos, diversos experimentos computacionais foram realizados em instâncias de pequeno, médio e grande porte. Todas as instâncias são baseadas em casos reais no Brasil. Os resultados mostram que os modelos propostos foram capazes de resolver todas as instâncias utilizadas, inclusive aquelas de grande porte, demonstrando serem eficientes quando comparadas com várias metaheurísticas, pois produzem soluções exatas em um curto tempo computacional. Uma análise do impacto nas soluções quando ocorre uma mudança no preço de petróleo e no horizonte de planejamento também é realizada. A metodologia de resolução empregada no terceiro modelo mostrou que o método Quasi-Monte Carlo proporcionou os melhores cenários para representar a incerteza e também o potencial do modelo para resolver problemas de grande porte. / [en] In the oil and gas industry, one of the most important activities is the intervention in wells for maintenance services, which is necessary to ensure the production of oil. These interventions are performed by workover rigs that are available to serve a large number of wells according to a schedule. In this thesis, we proposed three integer linear programming models to efficiently address the problem of intervention in onshore oil wells. The first model determines the schedule of a set of homogeneous rigs, with the objective of minimizing the total production loss. This model is an improvement of the model proposed by Costa and Ferreira Filho (2004). The second model is an extension of the previous one and also considers the sizing of a heterogeneous rig fleet, with the objective of minimizing the production loss cost and the rig rental cost. The third model is a stochastic approach that extends the second model and consists of sizing a rig fleet considering the uncertainty in the intervention time. The uncertainty in the intervention time is represented by the generation of scenarios, using for this purpose the Monte Carlo, Scenario Reduction, and Quasi-Monte Carlo methods. The stability tests proposed by Kaut and Wallace (2003) are applied to evaluate the scenario generation methods and to establish the number of appropriate scenarios to solve the problem. To evaluate the performance of the proposed models, several computational experiments were performed in small, medium and large instances. All instances are based on real cases in Brazil. The results show that the proposed models were able to solve all of the instances considered, including the large instances, proving to be efficient when compared to various metaheuristics, as they produce exact solutions in small computational time. An analysis of the impact on the solutions when there is a change in the oil price and the planning horizon is also carried out. The resolution methodology employed in the third model showed that the Quasi-Monte Carlo method provided the best scenarios to represent the uncertainty and also the potential of the model to solve large-scale problems.

[pt] O contínuo processo de transformação do mercado faz com que as empresas não pensem unicamente em si mesmas, mas em toda a cadeia de suprimentos, na qual estão inseridas. Atualmente, a principal meta é a redução dos seus diversos custos de distribuição, fazendo uso de novas tecnologias ou melhores sistemas, sem esquecer de manter ou melhorar o seu nível de serviço. Este trabalho considera um sistema de distribuição física constituído por um centro de distribuição (CD) e 44 furgões. A partir do CD os furgões atendem diariamente todos os clientes situados na Região Metropolitana do Rio de Janeiro. Nesta dissertação serão examinadas algumas propostas de configuração da rede de distribuição porta-a-porta de uma grande empresa industrial, na Região Metropolitana do Rio de Janeiro, para se chegar a menores custos, desperdícios e maior eficiência. O sistema atual é avaliado e diversas configurações de modificação na estrutura do sistema são examinadas, incluindo a colocação de um ou mais depósitos regionalizados, dentro da Região Metropolitana do Rio de Janeiro, auxiliando o depósito central (CD Principal), de modo a reduzir as distâncias percorridas, reduzir a frota e melhorar o atendimento aos clientes. Após a montagem das configurações, são feitas três análises para examinar as variações dos custos logísticos, dependendo da evolução da demanda e de congestionamentos resultantes nas vias da Região Metropolitana. O trabalho conclui mostrando que o aumento de custos das estruturas propostas, com mais um único depósito avançado, pode ser recompensado com ganhos operacionais e mercadológicos. A consideração de cenários futuros, com maiores custos de combustíveis e maiores congestionamentos reforça a proposta, sem chegar a viabilizar a proliferação dos depósitos avançados. / [en] The continuous process of transformation of the market forces the companies to think not only on themselves, but on the whole supply chain, in which they are inserted. Currently, the main goal is the reduction of their diverse costs of distribution, making use of new technologies or better systems, without forgetting to keep or improving its level of service. This study considers a physical distribution system that operates with one distribution center (DC) and 44 small trucks. Departing everyday from the DC the trucks supply all customers that belong to the Metropolitan Region of Rio de Janeiro. In this thesis some proposals for the door-to-door configuration of the distribution network of a great industrial company will be examined, in the Metropolitan Area of Rio de Janeiro, to reach lower costs, less waste and greater efficiency. The current system is evaluated and diverse configurations of modification in the system`s structure are examined, including the introduction of one or more deposits, in the Metropolitan Area, assisting the central deposit, in order to reduce the traveled distances, to reduce the fleet and to improve the customer`s attendance. After the assembly of the configurations, and considering various scenarios of evolution of demand and increase of traffic congestion, analyses are made to examine the variations of the logistics costs. The thesis goes to showing that the increase in the costs of an additional advanced warehouse, can be paid with operational and marketing profits. The consideration of future scenarios with larger fuel costs and more dramatic traffic congestion shall reinforce the proposal of one warehouse but yet do not recommend the proliferation of them.

[pt] Transformadores de subestações de distribuição requerem uma atenção especial pelos altos custos, longos tempos de reposição e por impactarem, quando falham, diretamente na confiabilidade da rede, provocando assim a interrupção de inúmeros usuários. Em geral, as subestações são projetadas com transformadores em paralelo, de forma que a carga pico possa ser atendida ainda que um transformador do grupo esteja avariado. No entanto, esta solução requer investimentos elevados. Uma alternativa consiste no compartilhamento de estoques de transformadores reservas e subestações móveis. O dimensionamento dos estoques deve ser feito com cautela, pois, um grande número de equipamentos pode aumentar desnecessariamente os custos de investimento, e um estoque insuficiente pode diminuir a confiabilidade do sistema e aumentar seus custos operacionais. Esta dissertação apresenta duas metodologias para o dimensionamento do estoque, o método de Markov e a simulação Monte Carlo, os quais são comparados quanto aos seus resultados e características quando aplicados a um mesmo sistema. Ambos os modelos foram utilizados para dimensionar o estoque para falhas do tipo catastróficas e reparáveis, separadamente. O método probabilístico baseado na simulação Monte Carlo foi aplicado a um grupo de transformadores da classe 115 kV e 15 MVA, visando demonstrar a capacidade da metodologia de encontrar soluções condizentes do ponto de vista técnico e econômico. / [en] Substation distribution transformers require special attention for their high costs, long replacement times and for impacting, when they fail, directly on the reliability of the electric network, thus causing the interruption of several costumers. In general, substations are designed with transformers in parallel, so that the peak load can be met even if a transformer in the group is damaged. However, this solution requires high investments. An alternative is to share stocks of spare transformers and mobile substations. Stock sizing should be done with caution, as a large number of equipment can unnecessarily increase investment costs, and insufficient stock can decrease system reliability and increase operating costs. This dissertation presents two methods for stock dimensioning based on Markov modeling and on Monte Carlo simulation, which are compared in terms of their results and characteristics when applied to the same system. Both models were used to scale the stock for catastrophic and repairable failures, separately. The probabilistic method based on the Monte Carlo simulation was applied to a group of 115 kV and 15 MVA class transformers, aiming to demonstrate the method s ability to find solutions that are technically and economically compatible.

[pt] O planejamento da expansão da transmissão tem por objetivo identificar o conjunto de novas linhas de transmissão que serão instaladas na rede elétrica, a fim de garantir a segurança e a qualidade do sistema, atendendo ao crescimento da demanda. No Brasil, o primeiro estágio do planejamento consiste em definir e avaliar o corredor para locação das linhas candidatas. Nesta etapa são definidas informações como cabo escolhido, preços médios, tempo de comissionamento, impactos socioambientais e informações sobre a região. No estágio seguinte ocorre o leilão de transmissão em que vários investidores competem pelos lotes de transmissão. No último estágio, o ganhador do leilão é o responsável pela instalação e comissionamento da linha de transmissão. Apesar do levantamento feito no estágio inicial, os projetos de linha de transmissão podem sofrer atrasos e aumentos no custo final, principalmente, por questões de licenciamentos ambientais, desvios do traçado devido a travessias e interferências com áreas protegidas. A presente dissertação propõe metodologia para dimensionamento e precificação da linha de transmissão, ambos de acordo com os critérios e banco de dados da ANEEL, de forma a acelerar e facilitar o processo de planejamento. Com o intuito de evitar atrasos e prever interferências socioambientais, a segunda parte do trabalho apresenta uma metodologia que consiste em localizar e identificar cruzamentos e interferências com áreas protegidas de caráter ambiental e/ou infraestrutural no território brasileiro, a partir das coordenadas do traçado da linha de transmissão em análise. A terceira parte do trabalho verifica, a partir dos resultados anteriores, o impacto no planejamento da expansão da transmissão através de um modelo de programação linear inteira mista considerando fluxo de potência CC, despacho econômico e critério N-1. / [en] The transmission expansion planning aims at identifying a set of new power lines to be installed on the grid, in order to guarantee the reliability and quality of the system, meeting the demand growth. In Brazil, the first stage of planning consists of defining e survey the corridor for the transmission line siting. At this stage it is defined data such as conductor chosen, average prices, commissioning time, socioenvironmental impacts and information about the region. In the following stage, occurs the auction which several investors compete for the transmission lots. In the last stage, the winner of the auction becomes responsible for the installation and commissioning. Despite the survey of the initial stage, the transmission lines undergo delays and additional costs, mainly, due to environmental licensing, changes of the defined route due to crossing and interferences with protected areas. The present dissertation proposes a methodology to design and price the transmission line, both accordingly to the ANEEL database and criteria, in order to accelerate and facilitate the planning process. Aiming to avoid delays and foreseeing socioenvironmental impacts, the second part of the dissertation presents a methodology that consists of locating and identifying crossings and interferences with protected areas of environmental and/or infrastructural aspect on the Brazilian territory, from the coordinates of the transmission line route in analysis. The third part verifies, from the previous results, the impact on the transmission expansion planning through a model based on a mixed-integer linear programming, considering a DC power flow, unit commitment and N-1 criteria

[pt] A matriz brasileira de transporte retrata a dominância rodoviária sobre os demais modais, na movimentação de cargas no país. O aumento da eficiência operacional e redução de custos é fator que pode elevar a participação e competitividade dos trens nesse contexto. A aplicação de técnicas de otimização no processo de dimensionamento e planejamento operacional da frota de locomotivas possui grande potencial de economia de recursos, principalmente devido aos seus elevados custos de aquisição e manutenção. O presente trabalho apresenta uma metodologia para obtenção de uma solução exata para um horizonte mensal de planejamento, aproveitando se do caráter cíclico da grade de formação dos trens de carga geral, para definir o tamanho ótimo da frota necessário ao seu adequado funcionamento. A metodologia, implementada em linguagem Python e aplicada em um cenário de uma grade conhecida, teve sua frota resultante comparada com o dimensionamento manual realizado em uma concessionária brasileira e foi capaz de indicar a redução de 2 locomotivas no planejamento de frota. Associada a esta redução, a economia de capital estimada seria entre 400 mil reais e 20 milhões de reais, para o cenário conservador de economia dos gastos de manutenção e para o cenário mais otimista evitando a aquisição de novas locomotivas. Além da redução de frota e aumento na competitividade tarifária dos trens de carga geral, a metodologia cria, por meio de critérios científicos, diretrizes objetivas para o processo de dimensionamento e planejamento da frota de locomotivas, em substituição ao processo empírico atualmente aplicado na referida concessionária. / [en] The Brazilian transport matrix presents the road dominance over other modes in the movement of cargo in the country. The increase in operational efficiency and cost reduction is a factor that can increase the participation and competitiveness of trains in this context. The application of optimi zation techniques in the process of dimensioning and operational planning of the locomotive fleet has great potential for saving resources, mainly due to its high acquisition and maintenance costs. This work presents a methodology to obtain an exact soluti on for a monthly planning horizon, taking advantage of the cyclical character of the general freight trains timetables and defining the optimum fleet size necessary for its proper functioning. The methodology, implemented in Python language and applied in a scenario of a defined timetable had its resulting fleet compared with the manual sizing process carried out in a Brazilian dealership and was able to indicate the reduction of 2 locomotives in the fleet planning. Associated with this reduction, the est imated capital savings would be between 400 thousand reais and 20 million reais, for the conservative scenario of savings in maintenance costs and for the more optimistic scenario avoiding the acquisition of new locomotives. In addition to reducing the fleet and increasing the tariff competitiveness of general freight trains, the methodology creates, through scientific criteria, objective guidelines for the process of dimensioning and planning the locomotive fleet, replacing the empirical process currently applied in the aforementioned concessionaire.

[pt] Este trabalho descreve um sistema gráfico interativo, denominado FTOOL (Frame Analysis Tool), para o ensino e automatização das tarefas de projeto estrutural de pórticos planos. No trabalho foram incorporadas as tarefas de dimensionamento de estruturas de aço segundo a Norma Canadense de projetos de estruturas de aço de edificações - CAN/CSAS16.1-94. A integração completa das fases de pré- processamento, análise estrutural, pósprocessamento e dimensionamentos, através de uma interface amigável e eficiente, cria um ambiente onde os resultados de um passo da modelagem podem ser interpretados pelo estudante e usados como informação para determinar as modificações de modelagem no passo seguinte. Ao testar diferentes concepções estruturais, acredita-se que os estudantes podem vir a compreender melhor o comportamento estrutural e as fases de dimensionamento dos pórticos. Com as implementações realizadas no programa FTOOL, os estudantes de engenharia e os engenheiros civis executam um projeto estrutural com maior rapidez. Isso se deve ao fato de que diversas análises podem ser realizadas em um curto espaço de tempo para uma mesma estrutura, testando-se diferentes tipos de perfis metálicos. Com tal recurso, o usuário define uma estrutura mais econômica que pode atender com segurança as solicitações previstas em projeto. Pode-se também testar possíveis padronizações de elementos visando uma facilidade de fabricação e montagem. Os critérios de dimensionamento implantados no programa permitem aos usuários não só a automatização das etapas, bem como explorar melhor as possibilidades de entendimento dos modos de ruína dos elementos estruturais e dos parâmetros controladores do dimensionamento da estrutura metálica. Estas etapas compreendem desde a determinação da classe até a cálculo dos estados limites últimos e de utilização dos perfis pertencentes à estrutura. Estas verificações são feitas através da visualização dos resultados realizados na estrutura como um todo ou através de consultas individuais, barra a barra. A memória de cálculo gerada pelo programa auxilia os alunos no entendimento de todas as etapas do processo de dimensionamento estrutural em aço. / [en] This work describes an interactive graphic system, FTOOL (Frame Analysis Tool), for teaching and automation of frame structural design process. The system uses design recommendation presents in the Canadian Standard "Limits States of Steel Structures" - CAN/ CSA-S16.1-94. The complete integration of pre-processing, structural analysis, post-processing, and design is achieved through a friendly and efficient user-interface. The results of a step by step modeling can be accessed by the students and used as information to determine the modeling modifications in the following step. When testing different structural conceptions, it is believed that the students can substantially improve the learning process of structural behaviour and design. With the implementations accomplished in the FTOOL program, Civil Engineering students and designers can speed up the structural design process. Several solutions can be tested in a short space of time, leading to a more economic structure. The program also enables the use of standard elements, which makes the fabrication and construction phases easier. The design requirements implemented in the program allow users not only the automation of the design stages, but also to explore the possibilities of understanding better the ultimate states limits that govern the behavior of the structural elements. The design process ranges from the section class determination to the accessment of ultimate limits states. These verifications are made through the results visualization of the global structure or through an individual quering of each structural member. A full description of the design process is generated by the program helping the students to understand all the stages of steel design. / [es] Este trabajo describe un sistema gráfico interactivo, denominado FTOOL (Frame Analysis Tool), para la enseñanza y automatización de las tareas del proyecto extructural de pórticos planos. En este trabajo se consideran las tareas de dimensionamiento de extructuras de acero según la Norma Canadiense de proyectos de extructuras de acero en edificaciones - CAN/CSA-S16.1-94. La integración completa de las fases de preprocesamiento, análisis extructural, posprocesamiento y dimensionamientos, a través de una interface amigable y eficiente, crea un ambiente donde los resultados de un paso de la modelaje pueden ser interpretados por el estudiante y utilizados como información para determinar las modificaciones del paso siguiente. Experimentar diferentes concepciones extructurales lleva a los estudiantes a una mejor comprensión del comportamiento extructural y de las fases de dimensionamiento de los pórticos. Con las implementaciones realizadas en el programa FTOOL, los estudiantes de ingeniería y los ingenieros civiles ganarán rapidez en la ejecució de un proyecto ya que es posible realizar varias análisis en un corto espacio de tiempo para una misma extructura, probando diferentes tipos de perfiles metálicos. Con tal recurso, el usuario define una extructura más económica que puede atender las solicitudes previstas en el proyecto. El sistema permite también, probar posibles padronizaciones de elementos con el objetivo de facilitar la fabricación y el montaje. Los criterios de dimensionamiento implantados en el programa permiten a los usuarios no solo automatizar las etapas sino también explorar mejor las posibilidades de entender los modos de ruína de los elementos extructurales y los parámetros controladores del dimensionamiento de la extructura metálica. Estas etapas comprenden desde la determinación de la clase hasta el cálculo de los estados límites últimos y la utilización de los perfiles de la extructura. Los resultados realizados en la extructura pueden ser visualizados como un todo o a través de consultas individuales, barra a barra. La memoria de cálculo generada por el programa auxilia a los alumnos en el estudio de todas las etapas del proceso de dimensionamiento extructural en acero.

[pt] O presente trabalho visa dar complemento à ferramenta gráfica interativa previamente criada com a finalidade de modelar e dimensionar vigas e pilares em concreto armado, inserindo no dimensionamento a não linearidade física. A ferramenta existente tem como base o programa FTOOL, que de maneira didática permite modelar e realiza análise estrutural em duas dimensões, resultando em deslocamentos, reações e esforços internos. Com base nos esforços e dados iniciais da estrutura tais como materiais, seções e cobrimento, a nova ferramenta altera a rigidez das seções para que se considere os efeitos de fissuração e fluência do concreto, além da relação não linear entre tensão e deformação. É necessário inserir uma análise da rigidez das seções, que após a fissuração da peça, na transição do Estádio I para o Estádio II, têm sua rigidez reduzida, cálculo este feito pela rigidez secante obtida pelos diagramas momento-curvatura. Desta forma, é necessário reavaliar a rigidez das diversas seções de maneira iterativa, fazendo-se a redistribuição de esforços de acordo com a variação das rijezas nas seções dos elementos estruturais. Propõe-se a comparação entre a recomendação da NBR 6118:2014, item 15.7.3, para consideração aproximada da não linearidade física e a rigidez secante obtida pelas relações momento-curvatura, tanto para os pilares como para as vigas. Para isso são estudados três exemplos de estruturas onde compara-se os resultados obtidos para os esforços internos, armadura e deslocamento. / [en] The present work aims to complement the graphic-interactive tool previously created for modeling and designing reinforced concrete beams and columns, introducing the material nonlinearity in the design. The existant tool is based on the FTOOL program, which didactically allows to model and performs structural analysis in two dimensions, resulting in deflections, reactions ans internal forces. Based on the forces and initial data of the structure such as materials, cross sections and concrete covering, the new tool changes the cross sections stiffnesses to consider the effects of concrete cracking and creep, besides the nonlinear relationships between tensions and deformations. It is necessary to introduce an analysis of the section stiffnesses, which after cracking, in the transition between stages I and II, presents a reduction in its stiffiness, that is evaluated by the secant stiffness from the moment-curvature diagrams. Thus, it is necessary to reevaluate the stiffness of the several sections iteratively, performing the redistribuition of the forces according to the vaiation of stiffness on the structural elements. It is proposed the comparison between the recommendation of NBR 6118 (ABNT, 2014), in its topic 15.7.3, for the approximate consideration of material nonlinearity and the secant stiffness obtained by the moment-curvature relationships, both for columns and beams. So three examples of structures are studied, in which the results obtained for internal forces, reinforcement and displacement are compared.