[pt] O presente trabalho avalia a utilização de elementos enriquecidos para obtenção de cargas críticas, freqüências de vibração e seus respectivos modos de peças estruturais bidimensionais (flexão de placas retangulares sujeitas a compressão em seu plano). O método de aproximação empregado foi o de Rayleigh-Ritz voltado para o uso de elementos finitos convencionais enriquecidos com funções de deslocamentos adicionais internas e de contorno. As funções ditas internas são desenvolvidas de forma a não envolver deslocamentos e rotações nodais e no contorno. Já as funções ditas de contorno são concebidas de forma a envolver apenas deslocamentos internos e ao longo de um lado apenas, sem deslocamentos generalizados nodais. Para este estudo foram desenvolvidas duas famílias de funções, uma com termos adicionais trigonométricos e outra com termos adicionais polinomiais. Para o cálculo de cargas críticas e freqüências são utilizadas as matrizes de rigidez elástica, rigidez geométrica e de massa, introduzidas em problemas generalizados de autovalores. Resultados numéricos são obtidos através de procedimentos computacionais utilizando o software Maple. Verifica-se que as funções adicionais trigonométricas, embora mais satisfatórias que as polinomiais quanto à convergência, exigem maior esforço computacional. São comparados resultados de elementos para placas esbeltas (teoria de Kirchhoff), com três e quatro graus de liberdade por nó, onde o quarto grau de liberdade corresponde à derivada mista (torção). Mostra-se que as funções adicionais, não-nodais, requerem o uso do elemento com quatro graus de liberdade por nó, para se ter convergência no cálculo das cargas críticas e freqüências em situações gerais. Outros exemplos abordam preliminarmente a inclusão de efeitos de dano e ortotropia no material, visando a modelagem de lajes comprimidas e pilares com seções retangulares alongadas. Esta modelagem envolvendo combinação de funções adicionais gerais e elementos convencionais representa um passo no desenvolvimento de uma técnica aplicável à combinação de modos globais e localizados de instabilidade / [en] The focus of the present work is to developand evaluate enriched elements used to obtain critical loads, frequencies of vibration and respective modes for two-dimensional structural components (rectangular plates in bending under inplane compressive loading). The Rayleigh-Ritz approximation method has been employed, directed to the use of conventional finite elements enriched by internal and boundary additional displacements functions. The socalled internal functions are do not involve nodal and boundary displacements and rotations. The boundary functions are conceived to include displacements within the element and along one side, without involving any generalized nodal displacements. Two displacement function families were developed, the first with trigonometric additional terms and the second with polynomial additional terms. Critical loads and frequencies, and respective modes, are obtained by the use of elastic stifiness, geometric, and mass matrices, introduced in generalized eigenvalue problems. Numerical results are obtained by computational procedures using Maple software. The trigonometric additional functions, in spite of better convergence properties, demand greater computational effort. The basic elements are classical thin plate elements (Kirchhoff's theory) with three or four degrees of freedom per node, where the fourth degree of freedom corresponds to the mixed derivative (torsion). The results indicate that non- nodal additional functions require the use of elements with four freedom degrees by node to obtain convergence of critical loads and frequencies convergence in general situations. Other examples consist of preliminary approaches to include damage effects, in reinforced orthotropic plates, as modeling columns with wide rectangular sections and compressed slabs. The use of general additional functions combined with conventional elements represents a step on the development of a technique applicable to global and localized instability modes.

[pt] O aumento da altura dos edifícios, aliado ao surgimento de materiais mais resistentes, faz com que as estruturas sejam cada vez mais esbeltas. Com isso, a ação do vento se torna um importante fator a ser considerado nesses projetos. A sua característica dinâmica provoca efeitos de vibração nas estruturas que devem ser analisados, em especial em relação ao conforto do usuário, afetado por deslocamentos e acelerações elevadas. Este estudo aborda a utilização de amortecedores fluidos como forma de reduzir a resposta dinâmica das estruturas submetidas a cargas de vento. A carga de vento consiste em um evento aleatório, devendo ser analisada estatisticamente. Desta forma, foi adotado o Método dos Ventos Sintéticos para definir o carregamento de vento aplicado à estrutura. Os amortecedores empregados na estrutura são fluidos, altamente viscosos, portanto seu comportamento pode ser considerado linear. A avaliação do comportamento da estrutura foi realizada pelo programa computacional Robot Structural Analysis. Foi feita uma análise estática afim de realizar o pré-dimensionamento da estrutura. Em seguida, fez-se uma análise dinâmica para a estrutura submetida ao carregamento de vento, com o objetivo de se analisar a influência dos amortecedores. Foram definidos cinco modelos estruturais, com diferentes configurações de amortecedores, de forma a encontrar a sua melhor distribuição na estrutura para reduzir a resposta a níveis aceitáveis de conforto para os usuários. / [en] With the increase in building height and the development of more resistant materials, structures are becoming more flexible. This has made the consideration of wind loads an important factor to be considered in their projects. The dynamic characteristic of these loads causes important vibration effects in these structures due to their low vibration frequencies, which must be considered in design, especially regarding the users comfort, affected by high displacements and acceleration. This study analyses the use of fluid dampers in order to reduce the dynamic response of the structure under wind loading. The wind load is a random phenomenon, and must be studied statistically. In the present work the Synthetic Wind Method has been adopted in order to generate the variation of the wind load in time. The dampers applied to the structure are fluid dampers, highly viscous, so its behavior can be considered linear. The computer software Robot Structural Analysis is used to study the structural behavior. An analysis considering the wind as an equivalent static load is adopted for the preliminary design. Then, a dynamic analysis is conducted, considering the structure under a time varying wind loading, to investigate the effect of the fluid dampers on the response. Five models are investigated, with different configurations for the dampers, in order to define the best configuration and obtain acceptable levels of displacements and acceleration.

[pt] No Brasil as primeiras cidades surgiram no início do século XVI e, com a descoberta de novos territórios, foram surgindo novas cidades cujas construções remanescentes devem ser preservadas não somente pelo seu valor histórico, como também por suas técnicas construtivas. Estas construções são de uma época onde não havia fluxo intenso de tráfego, os veículos não eram pesados e não possuíam capacidade de atingir altas velocidades. Após a revolução industrial, com o aumento do transporte rodoviário e ferroviário, a preocupação com vibrações advindas do fluxo do tráfego em construções históricas ganhou importância, isso porque as cidades modernas se desenvolveram em torno dos seus núcleos históricas e o fluxo, peso e velocidade dos veículos nestas áreas são cada vez mais intensos. A excitação induzida por tráfego, dependendo da sua intensidade e frequência, pode gerar ou intensificar danos já existentes, além de causar desconforto aos usuários. Ela depende prioritariamente da qualidade dos pavimentos que é bastante irregular nas cidades históricas brasileiras. Para garantir a segurança de nossas construções históricas, geralmente de materiais frágeis, é fundamental o monitoramento das vibrações em ambientes urbanos. Nesta dissertação são apresentados os materiais mais relevantes utilizados em construções e pavimentos das cidades históricas no Brasil e uma revisão bibliográfica e análise das normas e critérios de projeto relativos ao efeito das vibrações induzidas por tráfego nessas construções. Com a finalidade de se entender como as vibrações se propagam nestas estruturas, foram construídas duas paredes de alvenaria apresentando variação da espessura da argamassa e diferentes tipos de fundação, sendo estas submetidas a cargas móveis e de impacto. Uma análise experimental detalhada mostra como em cada caso variam as acelerações, velocidades e deslocamentos ao longo das paredes, permitindo avaliar a influência do tipo de carregamento e da fundação nestas grandezas. Adotou-se para a avaliação de sensibilidade, a norma alemã DIN 4150. / [en] The first cities in Brazil emerged in the early sixteenth century and, with the discovery of new territories; new cities emerged whose remaining buildings must be preserved not only for their historical value, but also for their constructive techniques. These constructions are of a time where there was no intense traffic flow, the vehicles were not heavy and did not have the capacity to reach high speeds. After the industrial revolution, with the increase in road and rail transport, the concern with vibrations arising from the flow of traffic in historical buildings gained prominence, because modern cities developed around their historical centers and the flow, weight and speed of the vehicles in these areas are becoming more intense. Traffic- induced excitation, depending on its intensity and frequency, can generate or intensify existing damages, and usually cause discomfort to users. It depends primarily on the quality of the pavements, which is quite irregular in Brazilian historical cities. To ensure the safety of our historic constructions, usually of fragile materials, the monitoring of vibrations in urban environments is fundamental. This dissertation presents the most relevant construction materials used in constructions and pavements of historic cities in Brazil and a bibliographica l review and analysis of the codes and design criteria related to the effect of traffic - induced vibrations in these constructions. In order to understand how the vibratio ns propagate in these structures, two masonry walls were built in the laboratory with different mortar thickness and different types of foundation, being these subjected to mobile and impact loads. A detailed experimental analysis shows how in each case the accelerations, speeds and displacements vary along the walls, allowing evaluating the influence of the type of load and foundation characteristics in these quantities. The German standard DIN 4150 was adopted for the sensitivit y assessment.

[pt] No presente trabalho estuda-se a aplicação do controle estrutural na proteção de estruturas submetidas a carregamentos dinâmicos contra níveis de vibração indesejáveis que possam causar desconforto e, até mesmo, comprometer a segurança e integridade da edificação. Os três tipos de controle estrutural, passivo, ativo e híbrido, são analisados de forma a evidenciar as vantagens do uso do controle híbrido. O mecanismo de controle utilizado é o denominado amortecedor de massa sintonizado (AMS), devido à sua vasta aplicação na Engenharia Civil, tendo uma grande quantidade sido instalada em edifícios, pontes e chaminés industriais para controle de vibrações causadas pelo vento. Verifica-se a influência da não- linearidade da rigidez do AMS no comportamento do sistema principal. A utilização de amortecedores de massa sintonizados múltiplos é também estudada como uma forma de vencer certas limitações quanto à robustez deste tipo de sistema e melhorar sua performance. Analisa-se por fim o comportamento e eficiência do amortecedor de massa híbrido (AMH), em relação ao AMS passivo. Para cálculo da força de controle são utilizados os seguintes algoritmos: controle ótimo linear clássico, controle ótimo instantâneo e controle ótimo não-linear. Uma estratégia para definição das matrizes de ponderação, utilizadas no algoritmo de controle ótimo instantâneo, que minimizem a amplitude da resposta harmônica permanente é apresentada. Exemplos numéricos são apresentados ao longo de todo o trabalho. Verifica-se que a utilização do controle híbrido é mais eficiente que os controles passivo e ativo isolados, requerendo forças de magnitude inferiores, o que reduz bastante o custo deste tipo de sistema. O sistema de controle híbrido se mostrou eficiente na redução de vibrações causadas por carregamentos cujas freqüências eram diversas das consideradas no projeto do sistema de controle passivo. Verificou-se, ainda que o mesmo se comportou de forma satisfatória no caso de discrepância na freqüência natural da estrutura. / [en] In this work the use of structural control is studied to protect dynamically loaded building structures against undesirable vibration levels, which can cause human discomfort and, even more, compromise the building safety and integrity. The three types of structural control, passive, ative and hybrid, are analysed to show the advantages of hybrid control in reducing undesirable vibration levels. The chosen control mechanism is the so called tuned mass damper (TMD), due to its large application in Civil Engineering, having a great number of these devices been installed in buildings, bridges and industrial chimneys to control structural vibrations induced by wind loads. It is also verified the influence of TMD non linear stiffness on the main system behaviour. The use of multiple tuned mass dampers is studied as a possible way of improving the TMD robustness and performance. The hybrid mass damper (HMD) behaviour and efficiency comparing to the passive mass damper is analysed in detail. To calculate the control force the following control algorithms are used: classical optimum linear control, instantaneous optimum control and non-linear optimum control. A strategy to define the weighting matrices used in the instantaneous optimum control algorithm that minimizes the harmonic response amplitude is presented. Several numerical examples are presented aalong the work. The results show that the hybrid control is more efficient that the passive or active control used separately, requiring smaller forces reducing in this way the cost of the control system. The hybrid control system showed to be more efficient in reducing vibrations caused by loadings which had different frequencies from that considered on the passive control design. Moreover it was shown that hybrid control has a satisfactory perfomance when discrepancies in natural frequency occur.

[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] 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.

[pt] Dentre as diversas metodologias de detecção de danos, destacam-se os métodos de identificação de danos baseados na resposta da vibração (Vibration-based damage identification - VBDI), uma vez que a deterioração presente em elementos estruturais influencia diretamente na resposta dinâmica global e local da estrutura ocasionando alterações nos parâmetros dinâmicos. As diferentes abordagens encontradas na revisão de literatura para detecção dinâmica de danos focam principalmente em estruturas unidimensionais ou retas, que, por sua vez, podem não representar o comportamento dinâmico real de estruturas arrojadas como pontes e passarelas com geometria diferenciada. Alguns índices modais, nomeadamente curvatura modal, flexibilidade modal e energia de deformação modal, foram avaliados para uma passarela de aço com geometria curva. Para isso utilizou-se um modelo de elementos finitos da mesma, de onde foram extraídos os modos de vibração tridimensionais. Além disso, um índice recentemente proposto, denominado vetor resultante, que incorpora coordenadas modais tridimensionais, também é avaliado e comparado aos índices mencionados anteriormente. Os resultados mostram que a precisão dos índices na localização de danos está correlacionada com a região da estrutura onde o dano se encontra. Conclui-se então que para detecção de dano em uma estrutura real, é necessário que se utilize mais de um índice de dano. O impacto da magnitude do dano na acurácia dos índices é também estudado. A influência do dano nas vigas adjacentes e como isso se reflete nos índices também é investigada, a fim de evitar ambiguidade na localização de danos, e para direcionar corretamente programas de inspeção e monitoramento da integridade estrutural. / [en] Among the various damage detection methodologies, the Vibration-based damage identification (VBDI) methods stand out, since the deterioration present in structural elements directly influences the global and local dynamic response of the structure, causing changes in the dynamic parameters. The different approaches found in the literature review for dynamic damage detection focus mainly on one-dimensional or straight structures, which in turn may not represent the actual dynamic behavior of bold structures such as bridges and footbridges with different geometry. Some modal indices, namely modal curvature, modal flexibility, and modal strain energy were evaluated for a steel footbridge with curved geometry. For this purpose, a finite element model of it was used, from which the three-dimensional mode shapes were extracted. In addition, a recently proposed index, called resultant vector, which incorporates three-dimensional modal coordinates, is also evaluated and compared to the aforementioned ones. The results show that the accuracy of the indices for damage localization is correlated with the region of the structure where the damage is located. It is then concluded that for damage detection in a real structure, it is necessary to use more than one damage index. The impact of the damage magnitude on the accuracy of the indices is also studied. The influence of damage in adjacent beams and how this is reflected in the indices is also investigated in order to avoid ambiguity in damage location, and to correctly direct inspections and structural integrity monitoring programs.

[pt] As estruturas civis durante toda a sua vida útil estão sujeitas a diversas ações de deterioração, desgastes ou corrosão de seus membros, que podem gerar variações em suas características físicas. Estas ações podem causar danos ao seu funcionamento, podendo chegar até ao colapso, em casos mais extremos. Além disso, o avanço tecnológico que permite a concepção de estruturas cada vez mais esbeltas, e que geram assim possíveis vibrações excessivas, elevam o monitoramento estrutural a um patamar de extrema importância e atenção na ótica dos gestores desses sistemas. Particularmente, no caso de obras de infraestrutura como pontes e passarelas, as grandes dimensões são características significativas que tornam as práticas de monitoramento e inspeção mais difíceis. Dessa forma, com o objetivo auxiliar no monitoramento estrutural e direcionar inspeções visuais, diversos métodos de identificação de danos são estudados com base nas características dinâmicas das estruturas, como as frequências naturais e os modos de vibração. A revisão de literatura, porém, demonstra que há uma dificuldade na aplicação desta identificação em estruturas mais complexas de grande porte. Assim, este trabalho visa estudar esta dificuldade e propor uma solução baseada na construção de um índice, composto pelos modos de vibração. Além disso, através da aplicação de algoritmos de aprendizado de máquina e de reconhecimento de padrões, como as Redes Neurais Artificiais (RNAs), propõese aumentar a eficiência do processo de localização espacial e quantificação dos danos. Em seguida, a metodologia proposta é, então, aplicada em um modelo de passarela metálica inspirado em uma estrutura real presente na região do Terminal Centro Olímpico da cidade do Rio de Janeiro – RJ. A identificação de danos é estudada através da aplicação do índice proposto, incorporando as redes neurais e avaliando do impacto da variação dos parâmetros da RNA na eficiência global da detecção. / [en] Civil structures are subjected to different deterioration and corrosion actions throughout their entire service life, which can generate variations in their physical characteristics. These actions can cause damage to its functioning, and possibly leading to collapse in more severe cases. In addition, technology development which allows the design of increasingly slender structures, can produce excessive vibrations, which elevates the importance ofstructural monitoring to a higher level from the perspective of infrastructure managers. Particularly, in the case of bridges and walkaways, due to their large dimensions make monitoring and inspection even more difficult. Thus, with the aim of providing methods to assist in structural monitoring and facilitate visual inspections, several damage identification methods are investigated, which are based on structures dynamic characteristics, such as natural frequencies and mode shapes. The conducted literature review revealed that there is a difficulty in applying these identification methods in large-scale and complex structures. Thus, this research aims to study these barriers and propose a solution based on the development of a new damage index based on the structure s mode shapes. Furthermore, through the application of machine learning algorithms and pattern recognition, such as Artificial Neural Networks (ANN), it is proposed to increase the efficiency of the damage identification and quantification process. Then, the proposed methodology is tested numerically on a steel footbridge model inspired by a real structure located in the region of the Olympic Center Terminal, in the city of Rio de Janeiro – RJ. The damage identification method is studied through the application of the proposed damage index, incorporating the neural network and assessing the impact of ANNs parameters variation in the global efficiency of the damage detection method.