[pt] Neste trabalho é desenvolvida uma metodologia baseada no Método dos Elementos Finitos para estudar o equilíbrio e a estabilidade de placas apoiadas em fundações elásticas. A formulação utilizada para a análise de placas é válida para a análise linear e não-linear de placas isotrópicas ou ortotrópicas, perfeitas ou inicialmente imperfeitas. Esta formulação é baseada nas teorias de placas de Mindlin e von Kármán e na teoria de cascas abatidas proposta por Marguerre. As placas podem estar apoiadas em fundações lineares ou não-lineares, que são modeladas utilizando elementos finitos isoparamétricos. A fundação não-linear contém termos cúbicos e quadráticos, de modo a permitir uma representação mais realista do seu comportamento. Na obtenção dos caminhos não-lineares de equilíbrio das estruturas, diferentes métodos incrementais-iterativos são utilizados. Com o objetivo de considerar o problema de contato unilateral, duas formulações que utilizam técnicas de Programação Matemática são implementadas, sendo uma para a análise linear e outra para a análise não-linear. Além dessas formulações, o problema de contato unilateral pode ser tratado através do uso de um modelo constitutivo de fundação não resistente à tração também implementado neste trabalho. Exemplos de equilíbrio e de estabilidade são apresentados e, quando possível, os resultados são comparados com os existentes na literatura. Através destes exemplos, estuda-se a influência da não-linearidade da placa e da fundação, das imperfeições geométricas iniciais e do tipo de contato (unilateral ou bilateral) na capacidade de carga e estabilidade da placa. Também é discutida a influência do uso de diferentes malhas de elementos finitos nestes resultados, bem como a eficiência computacional das metodologias utilizadas para lidar com o contato unilateral. / [en] In this work, a finite element formulation to study the equilibrium and the stability of plates on elastic foundations is developed. This formulation can be used for linear and nonlinear analyses of isotropic or orthotropic, perfect or initially imperfect plates. It is based on Mindlin`s and von Kármán`s plate theories and on the shallow shell theory proposed by Marguerre.The plates can be on linear or non-linear foundations modeled using isoparametric finite elements. The non-linear foundation contains cubic and quadratic terms to allow a more realistic representation of its behavior. In order to obtain the equilibrium path of the structure, different incremental-iterative methods are employed.Two different strategies are implemented to solve the unilateral contact problem. In the first one, two formulations that use optimization techniques are developed, one for the linear analysis and the other one for non-linear analysis. The second strategy modifies the constitutive relation of the foundation in order to simulate its tensionless behavior.Equilibrium and stability examples are presented and, whenever possible, the results are compared with the ones found in the literature. In these examples, the influence of the non-linearities of the plate and the foundation, of initial geometric imperfections, and of the type of contact (unilateral or bilateral) on the load capacity and stability of the plate is studied. The influence of different finite element meshes on the results and the computational efficiency of the methodologies used to solve the unilateral contact problem are also discussed. / [es] En este trabajo se desarrolla una metodología basada en el Método de los Elementos Finitos para estudiar el equilibrio y la estabilidad de placas apoyadas en fundaciones elásticas. La formulación utilizada para el análisis de placas es válida para el análisis lineal y no lineal de placas isotrópicas o ortotrópicas, perhechas o inicialmente imperhechas. Esta formulación tiene como base las teorías de placas de Mindlin y von Kármán y en la teoría propuesta por Marguerre. Las placas pueden estar apoyadas en fundaciones lineales o no lineales, que son modeladas utilizando elementos finitos isoparamétricos. La fundación no lineal contiene términos cúbicos y cuadráticos, de modo que permita una representación más realista del su comportamiento. En la obtención de los caminos no lineales de equilibrio de las extructuras, se utilizaron diferentes métodos incrementales iterativos. Con el objetivo de considerar el problema de contacto unilateral, se implementan dos formulaciones que utilizan técnicas de Programación Matemática, una para el análisis lineal y otra para el análisis no lineal. Además de esas formulaciones, el problema de contacto unilateral puede ser tratado a través del uso de un modelo constitutivo de fundación no resistente a la tracción, que también es implementado en este trabajo. Se presentan ejemplos de equilíbrio y de estabilidad y, cuando posible, se comparan los resultados con los existentes en la literatura. A través de estos ejemplos, se estudia la influencia de la no linealidad de la placa y de la fundación, de las imperfecciones geométricas iniciales y del tipo de contacto (unilateral o bilateral) en la capacidad de carga y la estabilidad de la placa. También se discute la influencia del uso de diferentes mallas de elementos finitos em estos resultados, así como la eficiencia computacional de las metodologías utilizadas para tratar el contacto unilateral.

[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] A análise de vigas sobre base elástica submetidas a cargas estáticas e dinâmicas tem grande importância na engenharia estrutural e fornece ferramentas úteis para resolver problemas práticos como o projeto de fundações e vias férreas, entre outros. Um caso particularmente importante é o estudo do comportamento dinâmico destes elementos estruturais na presença de cargas móveis. Apresenta-se nesta dissertação a análise de vigas prismáticas de comprimento infinito repousando sobre uma fundação elástica do tipo Winkler, submetida à ação de cargas móveis e forças axiais de compressão. Consideram-se cargas concentradas e uniformemente distribuídas em um trecho finito de magnitude constante ou com variação harmônica. A viga é descrita pela teoria linear de Euler-Bernoulli (teoria clássica de vigas) e de Rayleigh (considerando inércia rotacional). A fundação é descrita por uma lei constitutiva não-linear cúbica. Para o caso linear se obtém uma solução analítica exata usando transformadas duplas de Fourier. Emprega-se também o método de Galerkin para a análise do problema linear e não-linear. Para isto, usam-se como funções de forma os modos de vibração livre de vigas finitas e séries de Fourier, sendo o problema resolvido analiticamente no domínio do tempo no caso linear e, mediante integração numérica das equações de movimento no caso não-linear. Apresenta-se uma análise paramétrica para o caso linear, comparando os resultados obtidos pelo método de Galerkin com a solução exata. Para o caso não-linear, estuda-se a influência da não-linearidade da fundação, do raio de giração da seção da viga, da magnitude da força axial compressiva, da velocidade de deslocamento da carga transversal e da variação da amplitude da carga harmônica, nos deslocamentos da viga. / [en] The analysis of beams on elastic foundation subjected to static and dynamic loads is of great importance in structural engineering and provides useful tools to solve practical problems such as the design of foundations and railways, among others. A particularly important case is the study of the dynamic behavior of these structural elements in the presence of moving loads. This dissertation presents the analysis of prismatic beams of infinite length resting on a Winkler-type elastic foundation, subjected to the action of moving loads and compressive axial forces. Concentrated and uniformly distributed loads of a finite length with constant magnitude or harmonic variation are considered. The beam is described by the linear Euler-Bernoulli theory (classical beam theory), considering the effect of rotational inertia (Rayleigh theory). The nonlinear foundation is described by a cubic constitutive law. For the linear case, an exact analytical solution is obtained using the Fourier transform. The Galerkin method is also employed for analyzing both the linear and nonlinear problems. For this, the free vibration modes of simply-supported or clamped beams, Legendre polynomials and Fourier series are used as interpolating functions. The resulting discretized equations of motion are solved analytically in time domain in the linear case and by numerical integration in the nonlinear case. A parametric analysis for the linear case is conducted, comparing the results obtained by the Galerkin method with the exact solution. For the nonlinear problem, the influence of the nonlinearity of the foundation, the radius of gyration of the beam cross-section, the magnitude of the axial compressive force, the velocity of the moving load and the magnitude and frequency of the moving harmonic loads on the displacements of the beam are studied in detailed.