[pt] Este trabalho apresenta um estudo do comportamento dinâmico de uma bancada de testes representativa do sistema real de perfuração, composta por um motor CC acoplado a um sistema físico torcional, sujeita a fontes de atrito que induzem um regime de stick-slip no sistema em duas regiões distintas. O estudo incluiu a identificação de parâmetros da bancada de testes por meio de uma série de ensaios experimentais; e a caracterização do atrito, por meio do levantamento experimental da curva do coeficiente de atrito, em função da velocidade angular dos rotores principais. O intuito inicial foi a obtenção de um modelo numérico que fosse o mais simples possível e que representasse bem a bancada de testes. Uma vez obtido o modelo numérico, prosseguiu-se com uma série de simulações que permitissem uma caracterização indireta do regime de atrito ao qual estivessem submetidos os rotores principais, partindo-se apenas de medições de parâmetros no motor. Esse estudo é de grande relevância para a compreensão qualitativa da dinâmica do sistema real de perfuração, uma vez que ainda hoje não há técnicas totalmente confiáveis para caracterização do comportamento da coluna no fundo do poço a partir de dados da superfície somente. / [en] This paper presents a study of the dynamic behavior of a representative test bench of a real rotary drilling system, comprising a DC motor coupled to a very exible torsional system subjected to sources of friction which can induce self-excitation into two distinct regions of the system. The study includes the identification of parameter settings from the test bench by means of a series of experimental tests and characterization of friction, by obtaining the experimental curve of the friction coefficient as a function of the angular speed of the main rotor. The initial aim was to obtain a numerical model as simple as possible, capable of representing the test bench. Once obtained the numerical model, a series of numerical simulations were done, which allow an indirect characterization of the friction condition to which main rotors were subjected, starting only with the parameters measured at the drive. This study is of great importance for a qualitative understanding of the dynamics of the real drilling system, since today there is no fully reliable techniques to characterize the behavior of the column in the deep from surface data only.

[pt] Pesquisas no campo de Operações Humanitárias (Humanitarian Operations - HO) vem atraindo a atenção de acadêmicos e profissionais ao abranger o estudo de diversas ferramentas analíticas visando a melhora da resposta aos beneficiários. Diferentes estudos sugerem que a inserção de práticas e teorias tradicionais de logística e gestão de operações (Operation management – OM) - incluindo simulação, otimização, probabilidade e estatística - no contexto de desastres beneficiaria a cadeia de suprimentos humanitária. Uma vez que desastres são eventos complexos, graves e dinâmicos, com recursos humanos e materiais limitados, muitos stakeholders envolvidos e alto nível de incerteza de informação, a capacidade de gerir operações se faz necessária. Uma das técnicas mais comumente reconhecidas em OM é a simulação, sendo o método de Dinâmica de Sistemas (System Dynamics – SD) capaz de modelar representações simplificadas de realidades e obter informações valiosas sobre situações de complexidade dinâmica. O método fornece um conjunto de ferramentas, como mapeamento causal e modelagem de simulação, e permite avaliar os resultados de curto e longo prazo de decisões. Nesse contexto, a presente tese visa estudar a complexidade de HO através de SD. Para isso a tese conta com uma revisão sistemática da literatura (Systematic Literature Review – SLR) a fim de identificar o estado da arte, entregando uma taxonomia, um framework e uma agenda de pesquisa. Em seguida, duas operações são apresentadas, demonstrando a modelagem através de SD em contextos humanitários distintos e de alta relevância. A primeira operação estudada consiste na coleta e distribuição de doações para a população na base da pirâmide (Bottom of the Pyramid – BoP) do Rio de Janeiro, em meio a pandemia de COVID19. Realizamos uma survey e obtivemos 2155 respostas dos beneficiários. Os dados também foram obtidos diretamente com as organizações envolvidas na operação. Como resultado, demonstramos que aumentar o acesso a produtos de limpeza nas comunidades por meio de doações pode reduzir significativamente a transmissão do vírus SARS-CoV-2. Ademais, mostramos que as doações de alimentos podem aumentar a capacidade da população vulnerável de arcar com as necessidades, aliviando o estresse causado pela pandemia nesta parcela da população. Ademais, demostramos que quando todas as doações são na forma de vouchers/ dinheiro, a acessibilidade aumenta em 20 por cento em comparação com todas as doações físicas. Resultados que podem servir de base para formuladores de políticas ajudarem as comunidades vulneráveis, especialmente durante crises nas quais os recursos são escassos e devem ser explorados de forma eficiente. O segundo estudo consiste na operação do governo federal Brasileiro para receber, abrigar e interiorizar Venezuelanos no Brasil. Como o fluxo de Venezuelanos para o Brasil tem crescido e as consequências da pandemia se apresentam como uma preocupação com a capacidade da operação, a Operação Acolhida é modelada a fim de entender os gargalos de sua escalabilidade. Como resultado, demonstramos que: (i) o processo de interiorização é um gargalo, pois além da logística, é necessária a inserção socioeconômica dos Venezuelanos (por meio de vagas de emprego, por exemplo); (ii) a capacidade dos abrigos é um gargalo da operação, pois define uma fila de venezuelanos precisando de ajuda esperando para serem abrigados. / [en] Research in Humanitarian Operations (HO) has attracted the attention of academics and practitioners by applying analytical tools to improve response to beneficiaries. Different studies suggest that the integration of traditional practices and theories of logistics and operations management (OM) in the complex context of disasters would benefit the humanitarian supply chain. One of the most recognised techniques in OM is simulation, being System Dynamics (SD) a method capable of model simplified representations of realities and gain valuable insights into situations of dynamic complexity. In this context, this thesis aims to analyse the complexity of HO through SD. The thesis presents a systematic literature review (SLR) to identify the state of the art of the subject, delivering a taxonomy, a framework, and a research agenda. Then, two complex and dynamic operations are modelled through SD. The first operation involves collecting and distributing donations to the vulnerable population from Rio de Janeiro, Brazil, amid the COVID-19 pandemic. As a result, we demonstrated that: (i) increasing access to cleaning products in communities can significantly reduce COVID-19 transmission; (ii) food donations can increase the population s affordability; (iii) accessibility increases by 20 percent in vouchers/cash donations compared to all in-kind donations. The second one is the Brazilian operation to receive, shelter, and internalise Venezuelans. Since the flow of Venezuelans to Brazil has grown and, the pandemic aftermath presents itself as a concern for the operation capacity, Operation Welcome is modelled to understand the bottlenecks for its scalability. As a result, we demonstrate that: (i) the internalisation process is a bottleneck as, in addition to logistics, it is necessary the socio-economical insertion (through job vacancies, for example); (ii) shelters capacity is an operation bottleneck, as it defines a queue of needing assistance Venezuelans waiting to be sheltered.

[pt] O presente trabalho apresenta um estudo numérico da transferência de energia por radiação e sua interação com as propriedades radiantes cinzas e espectrais dos gases produtos da combustão e da fuligem que são formados em um processo de combustão turbulenta. Assim, utilizam-se sistemas de forno/- queimador que operam em regime de chama não pré-misturada de maneira a avaliar, através da dinâmica dos fluidos computacional (CFD), a influência que exercem os diversos modelos de propriedades radiantes sobre a representação da termoquímica do escoamento reativo. Com o objetivo de identificar as principais características e deficiências que apresentam cada um destes modelos, foram considerados dois cenários. O primeiro, correspondente a um problema de radiação unidimensional de um sistema homogêneo e não isotérmico onde são estudados, modelos de propriedades radiantes (i) disponíveis em um software comercial de CFD e (ii) aqueles que foram implementados neste trabalho. Além disso, foi empregado um código numérico que determina as propriedades radiantes espectrais de gases produtos da combustão e da fuligem através de uma abordagem de banda estreita. Para este fim, este código foi acoplado com o software de CFD. Em seguida, dois queimadores de porte laboratorial são empregados de forma a avaliar a capacidade preditiva dos modelos de propriedades radiantes: o primeiro queima propano gasoso e ar enriquecido com oxigênio e o segundo utiliza querosene líquido e oxigênio como reagentes. Dados experimentais de fluxo de calor radiante e de fração volumétrica da fuligem são utilizados para comparação com os resultados obtidos da simulação. Para ambas as configurações de queimador foi também estudado o modelo de Moss-Brookes para previsão da formação/consumo da fuligem. Os resultados obtidos demonstraram o bom desempenho da maioria dos modelos de propriedades radiantes estudados. Em particular, a abordagem de banda estreita foi o que melhor previu a radiação térmica. Além disso, a sua utilização com o modelo de Moss-Brookes levou à melhor previsão da fração volumétrica da fuligem. / [en] This work presents a numerical study of radiation heat transfer and its interaction with gray and spectral radiation of combustion products and soot that are formed in a turbulent combustion process. Different burner/furnace systems operating in a non-premixed combustion regime were used in order to evaluate, through computational fluid dynamics (CFD), the influence of several radiant properties models. Aiming to identify the key features and shortcomings that exhibit each of these models, two scenarios were considered. The first corresponds to a 1-D radiation problem where radiative properties models of a homogeneous non isothermal system are studied as (i) available CFD commercial software and (ii) those implemented in this work. Moreover, a numerical code was used in order to determine, through a narrow band approach, the spectral radiative properties of soot and combustion products. For this purpose, this code was coupled with the CFD software. Then, two laboratory-scale burners are used to assess the predictive capacity of radiative properties models: the first, burning propane and enriched air oxygen, and the second uses kerosene and oxygen as reactants. Measurements of radiant heat flux and soot volumetric fraction are used for comparison with simulation results. For both configurations, the performance of the Moss-Brookes model for predicting the soot production was also studied. The results of this study demonstrated the good performance of the majority of the radiant properties models studied. Particularly, the narrow band approach was the model that provided the best thermal radiation prediction. Moreover, the combination of the narrow band approach with the Moss-Brookes model lead to the best prediction of soot volume fraction.

[pt] O principal efeito causador de indisponibilidade em sistemas de rádio comunicações com freqüências superiores a 10 GHz é a atenuação por chuvas, especificamente a chuva convectiva, que é predominante em climas tropicais. Nesta tese será realizado o estudo e modelagem do comportamento dinâmico da atenuação por chuvas em enlaces terrestres e via satélite, com base em medidas realizadas no Brasil. Os aspectos dinâmicos da atenuação relacionam-se com as funções de distribuição de probabilidade de três variáveis aleatórias: a taxa de variação da atenuação com o tempo, o número de eventos em que um certo nível de atenuação é excedido e as durações individuais destes eventos. Em outras palavras, trata-se de problema de cruzamento de níveis aplicado à série temporal da atenuação. Ao contrário da distribuição cumulativa da atenuação, da qual informação que pode ser efetivamente retirada é limitada, a análise estatística de cada nível de atenuação, em separado, provê uma completa caracterização do fenômeno da atenuação servindo de base para aplicações tais como a construção de técnicas adaptativas de controle de ganho, metodologias de adaptação do sinal por códigos, modulações ou taxas de bits e a elaboração de esquemas de diversidade de rotas, espaço, sítio ou tempo. Utilizando o banco de dados de medidas de atenuação por chuvas em regiões tropicais e equatoriais brasileiras, obtido em medidas realizadas em seis localidades, tanto em enlaces terrestres como via satélite, foram analisados neste trabalho os comportamentos estatísticos da taxa de variação temporal da atenuação e da duração de eventos. Foi tratado, ainda, o problema do cruzamento de níveis aplicado ao conceito de disponibilidade. A informação obtida a partir dos resultados da análise dinâmica pode ser usada, como já mencionado, no tratamento de vários problemas fundamentais do projeto de sistemas de comunicações. A tese tem, também, como objetivo, contribuir para o aumento da base mundial de dados da análise da dinâmica da atenuação, principalmente em climas tropicais e equatoriais, onde tais dados são bastante escassos. / [en] The main effect causing non-availability in radio communication systems operating in frequencies above 10GHz, is the rain attenuation, particularly the heavy convective rain that is predominant in tropical regions. This thesis presents a detailed study and modelling of the dynamics of rain attenuation in terrestrial links and earthspace links, based on data obtained in long-term experimental measurements in Brazil. The dynamic aspects of rain attenuation can be described by probability distribution functions of three variables: the rate of change of the attenuation with time (fade slope), the number of events of a certain level of attenuation to be exceeded and the individual duration of these events. In other words, the level crossing applied to the attenuation time series. In contrast to the cumulative distribution of the attenuation, from which limited information can effectively be obtained, the separate statistical analysis of each level of attenuation can provide a complete understanding of the phenomenon, allowing the development of adaptive power control techniques, methods for signal adaptation using codes, modulation or bits rate and the design of spacial, routing, site and time diversity strategies. The work is based on rain attenuation data measured in terrestrial and earth-space links operating at frequencies above 10 GHz in 6 Brazilian locations. The study includes the analysis and modelling of the statistical behaviour of the rate of variation of the attenuation with time and the event durations. Also considered, is the level crossing problem applied to the availability concept. As mentioned, the information obtained from the dynamic analysis results and modelling can be used for the treatment of various fundamental problems in the radio communication system project. A contribution to increase the database of dynamic attenuation mainly in tropical and equatorial climates, where data is scarce, is also a result of this thesis.

[pt] Apresentam-se nesta dissertação os principais modelos para análise e simulação de colisões e reconstituição de acidentes, desenvolvidos especialmente para reproduzir a dinâmica de uma colisão de forma adequada. Esse tipo de tratamento está se tornando uma indispensável ferramenta de auxílio nas perícias judiciais e para uma melhor interpretação de problemas de colisão em geral. Os programas desenvolvidos em MATLAB são baseados na implementação das equações relacionadas à interação entre os veículos, supostos rígidos, que ocorre durante uma colisão e são aplicáveis aos casos de colisões centrais e oblíquas, gerando resultados válidos e compatíveis aqueles obtidos através da teoria de conservação da quantidade de movimento, e com as medições realizadas após os acidentes. / [en] It is shown in this dissertation the main models for collisions analysis and simulation and accidents reconstruction, developed specially to reproduce the collision dynamics by an appropriated approach. This approach are becoming an indispensable tool of help for a better interpretation of collision and forensic problems. The MATLAB programs developed are based on implementation of equations related to rigid vehicles interaction in a collision, and are applicable for the central and oblique collisions, supplying valid and compatible results to those obtained by momentum conservation theory, and accidents experimental data.

[pt] É apresentado um procedimento para simulação de colisões de veículos terrestres deformáveis, cuja entrada são as condições imediatamente anteriores ao choque, produzindo como saída a evolução das variáveis ao longo do tempo de duração do impacto. Foram feitas simulações de casos semelhantes aos apresentados na literatura, e os resultados obtidos validaram os modelos criados. O procedimento foi implementado em Simulink/MatLab, seguindo a mesma estrutura dos demais programas em desenvolvimento nesta linha de pesquisa, de modo a futuramente integrá-lo aos pré- processadores e pós-processadores gráficos do programa SVDV - Simulação e Visualização da Dinâmica de Veículos. / [en] A procedure for the simulation of flexible ground vehicles collisions is presented, which uses the conditions at the instant just before the impact as input variables and the evolution of the dynamic variables during the collision as output. Various simulations are presented and compared to similar cases found in the literature, what validates the proposed models. The algorithm was implemented using Simulink/Matlab software and used the same structure of the other programs under development in this area, in order to integrate it to graphic pre-processors and post-processors available in SVDV program - Simulation and Visualization of Vehicle Dynamics.

[pt] Este trabalho apresenta um método para calcular a resistência à fadiga de uma torre de perfuração considerando a elevação da superfície do mar, a dinâmica da plataforma na qual a torre está instalada e a dinâmica da própria torre. Modelos de ordem reduzida são utilizados para obter a elevação da superfície do mar e a dinâmica torre, e as incertezas nos parâmetros dos componentes do sistema podem ser incluídas na análise também. As análises podem ser feitas para vários estados de mar, conforme sua distribuição de probabilidade, e nenhuma hipótese sobre a distribuição de probabilidade precisa ser feita inicialmente. O histograma de distribuição de ciclos de tensão para toda vida útil do equipamento é obtido usando um procedimento de contagem de ciclos Rainflow. Os resultados e as incertezas nos mesmos são discutidos. / [en] This work presents a method for evaluation of the fatigue resistance of a drilling tower considering the sea surface elevation, the dynamics of the platform on which the tower is installed and the dynamics of the tower itself. Reduced order models are used for obtaining the sea surface elevation and the dynamics of the tower, and the uncertainties on the parameters of the components of the system can be included in the analysis as well. The analysis can be done for several sea states, according its probability distribution, and no assumption about the probability distribution of the stress ranges has to be made previously. The histogram for the distribution of stress ranges for the entire working life of the equipment is obtained using a Rainflow technique. The results and the uncertainties on them are discussed.

[pt] O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um programa computacional para a analise não-linear estática e dinâmica de pórticos planos com ligações flexíveis (semi-rígidas). Inicialmente é apresentada a metodologia de solução não-linear e as formulações dos elementos finitos adotados na base computacional implementada. Em seguida, são estudados vários exemplos de sistemas estruturais estáticos com caminhos de equilíbrio fortemente não-lineares com a finalidade de testar os programas implementados. Então é apresentada a formulação do problema dinâmico com a definição das equações diferenciais ordinárias de movimento e as expressões das matrizes de massa e amortecimento. A solução desse sistema de equações diferenciais ordinárias é obtida por métodos de integração numérica implícitos ou explícitos. Alguns destes métodos são apresentados neste trabalho e incorporados ao programa computacional em conjunto com estratégias adaptativas de incremento automático do intervalo de tempo de integração (delta)t. Por fim, o sistema computacional desenvolvido é utilizado na modelagem e obtenção da resposta estrutural estática e dinâmica de alguns sistemas estruturais planos com comportamento eminentemente não-linear. Através destes resultados são analisados alguns fenômenos importantes de instabilidade estática e dinâmica, bem como possíveis mecanismos de colapso e a influência de parâmetros físicos e geométricos no comportamento estrutural. / [en] The main objective of this thesis is to develop a numerical methodology for the nonlinear static and dynamics analysis of plane frames with semi-rigid connections. Initially, the formulations of the adopted finite elements are presented and implemented together with numerical methodologies for the solution of the non-linear equilibrium equations. Then, some examples of strongly nonlinear structural systems under static loads are studied to check the methodology. Subsequently, the ordinary differential equations of motion are derived and the corresponding damping and mass matrices are presented. The solution of this system of ordinary differential equations is obtained by implicit or explicit numerical integration methods. Some of these methods are presented in this work and incorporated into the computational program together with adaptive strategies for the automatic increment of the time step (delta)t. Finally, the computational system here developed is used to study the static and dynamic response of some plain structural systems with an inherent nonlinear behavior. A detailed parametric study is carried out to identify the influence of physical and geometric parameters on the structural behavior. This enables the analysis of some important static and dynamic instability phenomena and identification of possible mechanisms of collapse.

[pt] Neste trabalho um modelo dinâmico para um rotor vertical em balanço, considerando o fenômeno de contato com a sua guarda, é analisado. A conjunto é modelado como um sistema eixo-rotor-estator com contato. A análise do contato é particularmente complexa pela não linearidade nas equações de movimento. O impacto com o estator é levado em conta através do modelo de contato tipo Kelvin-Vôigt, e, as equações de movimento, do rotor, são deduzidas através da formulação Lagrangeana; estas equações podem capturar os fenômenos devido à vibração lateral, como: precessão direta, precessão retrograda, rolamento e escorregamento. Pela existência de diferentes parâmetros combinados e devido à não linearidade da equação de movimento, a resposta dinâmica não é simples de ser obtida apriori. Portanto, métodos numéricos são empregados para a solução, especificamente emprega-se o método de Runge-Kutta Fehlberg de passo variável. Os resultados da simulação mostram que para certas condições, o rotor pode mudar de orbita devido aos impactos com o estator, podendo chegar a realizar precessão retrograda. Este tipo de fenômeno é considerado como o mais violento e perigoso nas maquinas rotativas. Com o fim de estudar a dinâmica lateral do sistema, um rotor vertical em balanço com guarda anular é investigado. A passagem dela através de sua velocidade critica, quando conduzida por um motor elétrico, é analisada (e também quando o sistema opera em velocidades constantes). Além disso, neste trabalho, os resultados experimentais obtidos da bancada de experimentação são usados para estudar o fenômeno da precessão. / [en] In this work a dynamic model for the overhung rotor, considering the contact phenomenon between the rotor and the stator is analyzed. It is modeled as a shaft-rotor- stator system with contact. The analysis of contact is particularly complex, due to the high nonlinearity of motion equations. Impact with the stator is accounted by a consistent contact model, as Kelvin-Vôigt model, and, rotor`s motion equation is encountered employing Lagrangean`s method; this equations are capable of capturing the phenomenon due to lateral vibration, as: forward whirl, backward whirl, rolling or sliding along the stator. Due to the combined parameters and the effect of nonlinearity in motion equations, the dynamical response is not simple or easily predictable. Numerical simulation is the preferred method of analysis, exactly is used the Runge-Kutta Fehlberg method with variable step. Simulation results show that under certain conditions, a rotor changes its orbit due the impacts with the stator and after that, it executes backward whirl motion. It is a kind of phenomenon, which is considered as the most violent and dangerous in rotating machines. To this end, the analysis of a vertical overhung shaft-disc system with annular guard is investigated. The passing through its critical speed is analyzed when driven by an electric motor (also when the system operates under a constant rotational velocity). In addition, in this work the results obtained with an experimental test rig are used to investigate the whirl phenomenon.

[pt] Esta dissertação tem como principal objetivo estudar aplicações da expansão ou decomposição de Karhunen-Loève em dinâmica de estruturas. Esta técnica consiste, basicamente, na obtenção de uma decomposição linear da resposta dinâmica de um sistema qualquer, representado por um campo vetorial estocástico, tendo a importante propriedade de ser ótima, no sentido que dado um certo número de modos, nenhuma outra decomposição linear pode melhor representar esta resposta. Esta capacidade de compressão de informação faz desta decomposição uma poderosa ferramenta para a construção de modelos reduzidos para sistemas mecânicos em geral. Em particular, este trabalho aborda problemas em dinâmica estrutural, onde sua aplicação ainda é bem recente. Inicialmente, são apresentadas as principais hipóteses necessárias à aplicação da expansão de Karhunen-Loève, bem como duas técnicas existentes para sua implementação, com domínios distintos de utilização.É dada especial atenção à relação entre os modos empíricos fornecidos pela expansão e os modos de vibração intrínsecos a sistemas vibratórios lineares, tanto discretos quanto contínuos, exemplificados por uma treliça bidimensional e uma placa retangular. Na mesma linha, são discutidas as vantagens e desvantagens de se usar esta expansão como ferramenta alternativa à análise modal clássica. Como aplicação a sistemas não-lineares, é apresentado o estudo de um sistema de vibroimpacto definido por uma viga em balanço cujo deslocamento transversal é limitado por dois batentes elásticos. Os modos empíricos obtidos através da expansão de Karhunen-Loève são, então, usados na formulação de um modelo de ordem reduzida, através do método de Galerkin, e o desempenho deste novo modelo investigado. / [en] This dissertation has the main objetive of studying applications of the Karhunen-Loève expansion or decomposition in structural dynamics. This technique consists basically in obtaining a linear decomposition of the dynamic response of a general system represented by a stochastic vector field. It has the important property of optimality, meaning that for a given number of modes, no other linear decomposition is able of better representing this response. This information compression capability characterizes this decomposition as powerful tool for the construction of reduced-order models of mechanical systems in general. Particularly, this work deals with structural dyamics problems where its application is still quite new. Initially, the main hypothesis necessary to the application of the Karhunen-Loève expansion are presented, as well as two existing techniques for its implementation that have different domains of use. Special attention is payed to the relation between empirical eigenmodes provided by the expansion and mode shapes intrinsic to linear vibrating systems, both discrete and continuous, exemplified by a bidimensional truss and a rectangular plate. Furthermore, the advantages and disadvantages of using this expansion as an alternative tool for classical modal analysis are discussed. As a nonlinear application, the study of a vibroimpact system consisting of a cantilever beam whose transversal displacement is constrained by two elastic barriers is presented. The empirical eigenmodes provided by the Karhunen-Loève expansion are then used to formulate a reduced-order model through Galerkin projection and the performance of this new model is investigated.