[pt] O objetivo desta tese é estudar os mecanismos de escape em sistemas estruturais sensíveis a imperfeições quando submetidos a certas classes de carregamentos dinâmicos, identificar os parâmetros que controlam o escape e criar critérios capazes de prever a fronteira de escape e a perda de estabilidade da estrutura no espaço dos parâmetros de controle. Isto permitirá um melhor entendimento dos processos de perda de estabilidade e servirá de base para o cálculo e controle da integridade dessas estruturas. Após a descrição dos fenômenos que podem ocorrer na dinâmica dessa classe de estruturas, são testados e adaptados alguns critérios existentes na literatura, que verificam a estabilidade de uma estrutura a partir do conhecimento dos parâmetros de controle. Em seguida estuda-se a evolução da estabilidade global do conjunto das soluções medida pela área da bacia de atração, e pelas características de sua fronteira. Desenvolvem-se expressões gerais para o critério de Melnikov, e mostra-se, a partir de perturbações aleatórias nos parâmetros de controle e na força externa, que essas expressões podem ser tomadas como um limite inferior para o carregamento de escape e conseqüentemente como uma contribuição para o desenvolvimento de critérios de projeto. Verifica-se também que os valores obtidos pelos critérios de escape podem ser tomados como limites superiores para o valor da força de escape. / [en] The purpose of this thesis is to study the escape mechanisms in imperfection sensitive structural systems under certain dynamical loading conditions. Other objectives are to identify the parameters that control the escape phenomenon and to create some criteria capable of predicting the escape boundary and the structures stability in the control parameters space. This will allow a better understanding of the stability loss process and can serve as a basis to the integrity control and design of these structures. After a description of the phenomena that can occur in the dynamics of this class of structures, some predictive criteria, found in literature, that verify the structure stability based on the control parameters knowledge, are adapted and tested. Following is a study of the evolution of the global stability of the set of solutions measured by the basin of attraction area, and by the characteristics of its boundary. Some general expressions for the Melnikov criterion are developed, and it is shown by randomly perturbing the control parameters and the external force, that these expressions can be taken as a lower bound for the escape load, and consequently as a contribution to the development of design criteria. It is also observed that the values obtained by the escape criteria can be taken as an upper bound for the values of the escape force. / [es] EL objetivo de esta tesis es estudiar los mecanismos de escape en sistemas extructurales que son sensibles a imperfecciones cuando son sometidos a ciertas clases de cargas dinámicas. Outro objetivo es identificar los parámetros que controlan el escape y crear criterios capaces de preveer la frontera de escape y la pérdida de estabilidad de la extructura en el espacio de los parámetros de control. Esto permitirá una mejor comprensión de los procesos de pérdida de estabilidad y servirá de base para el cálculo y control de la integridad de esas extructuras. Después de describir los fenómenos que pueden ocurrir en la dinámica de esta clase de extructuras, se prueban y adaptan algunos criterios existentes en la literatura, que verifican la estabilidad de una extructura a partir del conocimiento de los parámetros de control. Seguidamente, se estudia la evolución de la estabilidad global del conjunto de las soluciones, se dearrollan expresiones generales para el criterio de Melnikov, y se muestra, a partir de perturbaciones aleatorias en los parámetros de control y en la fuerza externa, que esas expresiones pueden ser tomadas como límite inferior para la carga de escape y conseqüentemente como una contribución para el desarrollo de criterios de proyecto. Se verifica también que los valores obtenidos por los criterios de escape pueden ser tomados como límites superiores para el valor de la fuerza de escape.

[pt] Arco segmentado é uma estrutura composta de vários segmentos retilíneos,emendados em pontos pertencentes a uma curva em forma de arco que circunscreve a estrutura. A coincidência dos pontos das emendas (nós) com essa curva permite a redução dos momentos fletores nesses pontos. O arco segmentado assim idealizado apresenta algumas vantagens para a indústria de pré-moldados, quais sejam: permite a utilização das fôrmas empregadas na moldagem de outros tipos de peças retilíneas como pilares e vigas; permite a construção de arcos com qualquer relação entre a flecha e o vão, empregando-se as mesmas fôrmas, bastando para isso variar os ângulos entre os segmentos emendados. Neste trabalho é feito um estudo teórico sobre a estabilidade dos arcos segmentados,utilizando para isto o modelo computacional baseado no método nos elementos finitos. Dentro deste estudo são realizadas análises sobre a influência da relação altura/vão, da variação do número de segmentos, da presença de imperfeições iniciais e da ação do vento no comportamento global destes arcos. Também é desenvolvido um procedimento para o cálculo da carga crítica dos arcos segmentados bi e tri-articulados e que leva em consideração tanto as cargas caracterizadas por pontos limite como as por pontos de bifurcação. São apresentados os detalhes e resultados de um ensaio experimental de um arco segmentado de concreto armado, que teve como objetivo principal a verificação do comportamento global deste tipo de estrutura e da eficiência do modelo computacional aqui utilizado. / [en] Segmental arch is a structure made of several straight segments of precast concrete connected at points belonging to a curve in the form of an arch which circumscribes the structure. This type of arch has some advantages for the precasting industry: a) it allows the use of the same forms used to cast other types of straight pieces such as beams and columns; b) it allows the construction of arches with any height/span ratio, using the same forms, which is achieved just by varying the angle between the connected segments. In this work, a study of the stability of this type of arch is developed, with the use of a computer model based on the finite elements method. In side of this study, the effects of height/span ratio variation, segment number variation, initial imperfections presence and the wind action are investigated. In addition, a calculus procedure of the critical load to the segmental arches is developed. This procedure takes in consideration the loads characterized by limit points as much as that by bifurcation points. Is also presented an experimental test, of a segmental arch made of reinforced concrete, that was conducted with the purpose of studying the global behavior of this type of structure, and verify the efficiency of the computer model used. / [es] El arco segmentado es una extructura compuesta de varios segmentos rectilíneos,enmendados en puntos que pertenecen a una curva en forma de arco que circunscribe la extructura. La intercepción de los puntos de las enmiendas (nodos) con esa curva permite la reducción de los momentos flectores en esos puntos. El arco segmentado presenta algunas ventajas para la industria de premoldados como son: permite la reutilización de las formas para el moldeado de otros tipos de piezas rectilíneas como pilares y vigas; permite la construcción de arcos con cualquier relación entre la flecha y el vano, utilizando las mismas formas, tan solo variando los ángulos entre los segmentos enmendados. En este trabajo, se desarrolla un estudio teórico sobre la estabilidad de los arcos segmentados,utilizando el modelo computacional basado en el método en los elementos finitos. Dentro de este estudio se analiza la influencia de: la relación altura/vano, la variación del número de segmentos, la presencia de imperfecciones iniciales y la acción del viento en el comportamiento global de estes arcos. También se desarrolla un procedimiento para el cálculo de la carga crítica de los arcos segmentados bi y triarticulados que lleva en consideración tanto las cargas caracterizadas por puntos límites como por puntos de bifurcación. Se presentan detalles y resultados de un ensayo experimental de un arco segmentado de concreto armado, cuyo objetivo principal es verificar el comportamiento global de este tipo de extructura y la eficiencia del modelo computacional aqui utilizado.

[pt] Nesta dissertação são estudados a flambagem e o comportamento pós-crítico de colunas esbeltas sob a ação do peso próprio. Primeiramente, é realizada uma análise linear para a determinação das cargas críticas e modos críticos para colunas com diferentes condições de contorno e para a determinação da relação carga-frequência. Para estudar o comportamento pós-crítico da coluna, uma formulação geometricamente exata para a análise não-linear de elementos estruturais unidimensionais foi desenvolvida, considerando uma distribuição arbitrária da carga e condições de contorno. A partir desta formulação obtém-se um conjunto de equações não-lineares de primeira ordem, as quais,juntamente com as condições de contorno dos extremos da coluna, formam o problema de valor de contorno. Este problema é resolvido pelo uso simultâneo do método de integração numérica de Runge-Kutta e pelo método de Newton- Raphson. Devido a um algorítmo de continuação, soluções precisas podem ser obtidas para uma variedade de problemas de estabilidade apresentando pontos limite ou de bifurcação. Com o uso desta formulação, é feita uma análise paramétrica detalhada a fim de possibilitar o estudo da flambagem e do comportamento pós-crítico de colunas esbeltas sujeitas a ação do peso próprio, incluindo a influência das condições de contorno na estabilidade, a distribuição dos esforços internos e o comportamento não- linear geométrico da coluna. Com o objetivo de verificar a qualidade e a precisão dos resultados, foi conduzida uma análise experimental para o caso de uma coluna esbelta engastada e livre. Os resultados experimentais obtidos para a flambagem, freqüências naturais e para o comportamento pós-crítico foram comparados de forma favorável com os resultados teóricos e numéricos. / [en] In this thesis the buckling and post-buckling behavior of slenders columns under self-weight are studied. First a linear analysis is conducted to determine the critical loads for different boundary conditions and the load-frequency relation. In order to study the post-buckling behavior of the column, a geometrically exact formulation for the non- linear analysis of uni-dimentional structural elements has been derived, considering arbitrary load distribution and boundary conditions. From this formulation one obtains a set of first-order coupled non-linear equations which, together with the boundary conditions at the column ends, form a two-point boundary value problem. This problem is solved by the simultaneous use of the Runge-Kutta integration scheme and the Newton-Raphson method. By virtue of a continuation algorithm, accurate solutions can be obtained for a variety of stability problems exhibiting either limit point or bifurcational-type buckling. Using this formulation, a detailed parametric analysis is conducted in order to study the buckling and post-buckling behavior of slender columns under self-weight, including the influence of boundary conditions on the stability, internal forces distribution and large deflection behavior of the column. To verify the quality and accuracy of the results, an experimental analysis was conducted considering a clamped-free thin-walled metal column. The buckling and post-buckling behavior as well as the load-frequency relation were obtained and compared favorably with the theoretical and numerical results. / [es] En esta disertación se estudian el flameo el comportamiento postcrítico de columnas esbeltas bajo la acción del peso proprio. Primeramente, se realiza un análisis lineal para la determinación de las cargas críticas y modos críticos para columnas con diferentes condiciones de contorno y para la determinación de la relación carga frecuencia. Para estudiar el comportamiento postcrítico de la columna, fue desarrollada una formulación geométricamente exacta para el análisis no lineal de elementos extructurales unidimensionales, considerando una distribuición arbitraria de la carga y condiciones de contorno. A partir de esta formulación se obtiene un conjunto de ecuaciones no lineales de primer orden, las cuales, juntamente con las condiciones de contorno de los extremos de la columna, forman el problema de valor de contorno. Este problema se resuelve usando simultáneamente el método de integración numérica de Runge Kutta y el método de Newton Raphson. A través de un algorítmo de continuación, pueden ser obtenidas soluciones precisas para una variedad de problemas de estabilidad presentando puntos límite o de bifurcación. Utilizando esta formulación, se realiza análisis paramétrico detallado a fin de hacer posible el estudio del flameo y del comportamiento postcrítico de columnas esbeltas sujetas a la acción del proprio peso, inclyendo la influencia de las condiciones de contorno en la estabilidad, la distribuición de los esfuerzos internos y el comportamiento no lineal geométrico de la columna. Con el objetivo de verificar la calidad y la precisión de los resultados, se ejecutó un análisis experimental para el caso de una columna esbelta y libre. Los resultados experimentales obtenidos para el flameo, frecuencias naturales y para el comportamiento postcrítico fueron comparados de forma favorable con los resultados teóricos y numéricos.

[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] As estruturas com cargas não conservativas podem perder a estabilidade por divergência, quando a amplitude da resposta estática se incrementa monotonamente, ou por flutter, através de oscilações com amplitudes exponencialmente crescentes. Neste trabalho estudam-se vários aspectos sobre o efeito do amortecimento e da deformação cisalhante na estabilidade dinâmica de vigas e tubos. Um programa computacional que permite obter cargas críticas e respostas no domínio do tempo é implementado, formulando as equações através do método dos elementos finitos. Comparam-se os resultados de vigas de Euler-Bernoulli e vigas de Timoshenko, considerando várias alternativas para a aplicação do amortecimento proporcional e viscoelástico. Tubos são modelados com elementos tridimensionais enriquecidos com modos adicionais incompatíveis. O amortecimento viscoelástico é introduzido na relação constitutiva do material, atuando sobre as deformações desviadoras. As cargas críticas dinâmicas são calculadas a partir do problema de autovalor característico, obtido aplicando a transformada de Laplace às equações de conservação de momentum. Nas análises dinâmicas um método implícito é utilizado para a integração do tempo e um algoritmo de segunda ordem na integração das relações constitutivas viscoelásticas. Os resultados mostram que para algumas formas de amortecimento, as respostas obtidas considerando a deformação cisalhante mudam qualitativamente o comportamento da carga crítica dinâmica, incluindo alguns paradoxos, conforme o amortecimento é incrementado. / [en] Structures with non-conservative loads can lose stability either by divergence, when static response amplitude increases monotonically, or by flutter, through oscillations with exponentially increasing amplitudes. Several aspects concerning the influence of damping and shear on the dynamic stability of beams and tubes are studied. A special-purpose computer program has been developed, enabling critical loads and time history responses to be obtained applying the finite element method to formulation of the equations. Results of Euler-Bernoulli and Timoshenko beams are compared for a number of alternative formulations of proportional and viscoelastic damping. Tubes are modeled with tridimensional elements implemented with additional incompatible modes. Viscoelastic damping is introduced in the constitutive relations of the material, acting on deviatoric strains. Flutter loads are calculated through the characteristic eigenvalue problem obtained applying the Laplace’s transform to the momentum equation. In the dynamic analysis an implicit method is used for time integration and a second order algorithm is used in the integration of viscoelastic constitutive relations. The results show that, for some types of damping, the responses obtained taking into account shear strains change qualitatively the behavior of the flutter load, including certain paradoxical phenomena, as damping is increased.

[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] Este trabalho consiste em desenvolver e avaliar modelos clássicos de elementos finitos combinados com funções polinomiais adicionais, para a obtenção de cargas críticas de instabilidade e freqüências naturais de estruturas planas, com seus respectivos modos. O objetivo consiste em buscar uma sistemática confiável para obter estimativas de deformações localizadas em regime próximo ao colapso. Utiliza-se o método dos Elementos Finitos em combinação com o método clássico de Rayleigh-Ritz. Como elemento fundamental para tal estudo, emprega-se o elemento retangular de Barber-Weaver, que contém quatro nós, cada nó com duas translações e duas rotações independentes (equivalentes a uma rotação e uma distorção angular). Esse elemento é enriquecido com funções de deslocamentos adicionais internas e de contorno, em forma de séries polinomiais gerais. Esse conjunto de funções é incorporado nas expressões de energia para levar ao estabelecimento de matrizes de rigidez elástica, geométrica e de massa. Tais matrizes permitem estabelecer problemas generalizados de autovalor para obtenção de cargas críticas e freqüências, e respectivos modos de flambagem e vibração. Para os estudos numéricos comparativos apresentados nos exemplos, são implementadas diversas rotinas usando o software Maple 9.0. Os resultados mostram que a metodologia apresentada pode ser usada no desenvolvimento de uma técnica aplicável à obtenção de modos globais e localizados de instabilidade, quando há a combinação de efeitos não lineares geométricos e de material. / [en] This work consists in developing and evaluating classical of finite element models combined with additional polynomial functions, to obtain critical loads of instability and natural frequencies of plane structures, and respective modes. The objective is to search for a reliable technique to get estimates of localized deformations near to collapse. The Finite Elements method is used in combination with the classic method of Rayleigh-Ritz. As a basic element for such study, the rectangular element of Barber-Weaver is used, containing four nodes, each one with two translations and two independent rotations (equivalents to a rotation and an angular distortion). This element is enriched with additional internal displacement functions and with functions on the boundary, forming general polynomial series. These nodal functions are incorporated in the energy expressions leading to the establishment of elastic stiffness, geometric, and mass matrices. Such matrices allow the establishment of generalized eigenvalue problems to obtain critical loads and frequencies, and the respective modes of buckling and vibration. For the comparative numerical studies presented in the examples, several routines are implemented using software Maple 9.0. The results show that the methodology presented herein can be used in the development of an applicable technique to the ascertainment of instability in global and located modes, when there is a combination of geometric nonlinear and material effects.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo do comportamento não- linear e instabilidade de cascas e painéis cilíndricos laminados de materiais compósitos. Com esta finalidade é desenvolvida uma formulação de alta ordem de deformação cisalhante que leva en conta estes efeitos nas relações deformação-deslocamento. O comportamento da casca é descrito por uma consistente teoria não-linear para cascas laminadas que considera pequenas deformações e rotações moderadas e incorpora automaticamente o efeito das deformações cisalhantes. O modelo de bifurcação clássico é utilizado para estudar a estabilidade da casca compósita. O comportamento pós-crítico é examinado a partir de uma solução modal obtida com técnicas de perturbação. Em ambos os casos aplica-se o método de Rayleigh-Ritz para discretizar o sistema de equações diferenciais de equilíbrio em um sistema de equações algébricas. O método de Newton-Raphson é empregado na resolução das equações não- lineares de equilíbrio do caminho pós-crítico e na obtenção do caminho fundamental da estrutura imperfeita. A implementação numérica (em álgebra simbólica) é feita utilizando a linguagem de programação Maple V release 3. É então desenvolvido um estudo paramétrico com o objetivo de determinar a influência dos parâmetros geométricos e das características próprias do laminado (número de lâminas e orientação das fibras) na resposta crítica e pós-crítica da casca compósita para dois tipos de carregamento, a saber: pressão lateral e compressão axial. É analisado, também, o grau de sensibilidade às imperfeições geométricas destas estruturas. São apresentadas comparações dos resultados teóricos aqui obtidos com outros existentes na literatura com o objetivo de demonstrar a confiabilidade da formulação e metodologia numérica aqui desenvolvidas. / [en] The purpose of the present work is to study the non-linear behaviour and instability of laminated composite cylindrical shells and panels under axial and pressure loading. The analysis is performed within a refined non- linear theory for composite laminated shells incorporating the effects of transverse shear and the geometric imperfections. The classical bifurcation theory is used to analyze the critical behavior of the shell. To examine the post-critical behavior of the shell, a modal solution based on the basic ideas of Koiter`s theory is deduced and the Rayleigh-Ritz method together with the Newton-Raphson strategy are used to solve the non-linear equilibrium problem and plot either the post-critical path or the non- linear equilibrium path of the imperfect shell. The analytical and numerical procedures were performed by the use of the symbolic algebra package Maple V release 3. The influence played by the geometrical parametrs of the shell and physical parameters of the composite laminate, such as stacking sequences and fiber orientation in each lamina, on the critical and post-critical behavior of the shell is examined and a series of conclusions are outlined. The imperfection sensitivity of these shells is also analyzed. Comparisons of the present results with those obtained by other theories and experiments are found to be satisfactory and show the validity of the present methodology. / [es] Este trabajo presenta un estudio de la inestabilidad y comportamiento no lineal y la inestabilidad de cortezas y paneles cilíndricos laminados de materiales compuestos. Con esta finalidad se desarrolla una formulación de alta orden de deformación cisallante que considera estos hechos en las relaciones deformación desplazamiento. EL comportamiento de la corteza se describe a través de una consistente teoría no lineal para cascas laminadas. Esta teoría considera pequeñas deformaciones y rotaciones moderadas e incorpora automáticamente las deformaciones cisallantes. El modelo de bifurcación clásico se utiliza para estudiar la estabilidad de la corteza. El comportamiento poscrítico se examina a partir de una solución modal obtenida con técnicas de perturbación. En ambos casos se aplica el método de Rayleigh Ritz para discretizar el sistema de ecuaciones diferenciales de equilibrio en un sistema de ecuaciones algébraicas. El método de Newton Raphson es utilizado en la resolución de las ecuaciones no lineares de equilibrio del camino postcrítico y en la obtención del camino fundamental de la extructura imperfecta. La implementación numérica (en álgebra simbólica) se realiza utilizando el lenguaje de programación Maple V release 3. Con el objetivo de determinar la influencia de los parámetros geométricos y de las características proprias del laminado en la respuesta crítica y postcrítica de la casca compósita, se realiza un estudio paramétrico para para dos tipos de carga: presión lateral y compresión axial. Se analiza también, el grado de sensibilidad a las imperfeiciones geométricas de estas extructuras. Finalmente, y con el objetivo de demostrar la confiabilidad de la formulación y la metodología numérica aqui desarrolladas, se comparan los resultados teóricos obtenidos con los reportados en la literatura.

[pt] A estabilidade do escoamento estratificado de ar e água, sujeito a perturbações periódicas no nível de líquido, é investigada numericamente em um duto horizontal. Selecionou-se o Modelo de Dois Fluidos unidimensional para a simulação do escoamento. As equações de conservação de massa e de quantidade de movimento linear para as fases gás e líquido são discretizadas de acordo com o método dos Volumes Finitos. O acoplamento entre as equações é resolvido sequencialmente com uma versão modificada do método PRIME. Perturbações no nível de líquido foram introduzidas de maneira controlada na entrada da tubulação. A evolução dessas perturbações, ao longo da tubulação, é analisada e os resultados são comparados com as previsões fornecidas por um modelo baseado na teoria linear de Kelvin-Helmholtz. A velocidade de propagação, a frequência e o número de onda das perturbações apresentam excelente concordância entre a simulação e modelo, indicando que, de fato, ambas abordagens são capazes de prever características fundamentais dessas ondas. As taxas de crescimento previstas pelo modelo e as obtidas na simulação, também, foram comparadas apresentando razoável concordância. Os resultados mostram que a frequência da perturbação tem influência na taxa de amplificação e que ondas com frequências mais altas tendem a serem mais instáveis. Para tubulações longas, efeitos não lineares podem ser observados em regiões afastadas da entrada da tubulação. Nesse estágio é possível observar alterações no mecanismo de crescimento das perturbações. / [en] The stability of stratified air-water flow under the influence of periodic disturbances in the liquid level is investigated numerically for a horizontal pipe. One-dimensional two-fluid model is used for flow simulation. Conservation equations for mass and linear momentum are discretized for both phases using a finite volume method. Coupling between equations is achieved by sequentially solving a modified version of PRIME method. Controlled disturbances are introduced in the flow by oscillating the liquid level at the pipe inlet. The evolution of the generated disturbances along the pipe is analyzed and the results are compared with predictions given by a model based on linear theory of Kelvin-Helmholtz (KH). An excellent agreement is obtained for velocity, frequency and wave number of the perturbations. This indicates that both approaches are capable to predict the fundamental characteristics of the waves. Amplifications rates predicted by simulation and model have been also compared and the results show a reasonable agreement. It is found that the frequency of the perturbations plays a role in the amplification rate. For increasingly higher frequencies the disturbances tends to be more unstable. The analysis is extended for long pipes, in such cases the growth rates changes at locations far from the inlet. It is conjectured that non linear mechanisms are related to observations.

[pt] Estudou-se neste trabalho o deslocamento de fluidos em meios porosos utilizando células de Hele-Shaw. Especificamente, investigou-se experimentalmente o deslocamento de um fluido não newtoniano por um newtoniano em uma célula retangular de Hele-Shaw. A instabilidade de Saffman-Taylor ou viscous fingering é um fenômeno observado quando um fluido de menor viscosidade desloca um de maior viscosidade, e a célula de Hele-Shaw é uma ferramenta conveniente para a sua observação. Esse fenômeno é muito importante em diversas aplicações, como por exemplo: recuperação secundária e terciária de petróleo, invasão de fluidos de perfuração em meios porosos, fraturamento hidráulico, processamento de polímeros, hidrologia e filtração. É vasta a literatura relativa ao estudo de fluidos newtonianos e não newtonianos deslocados por ar em células de Hele-Shaw. Entretanto, existem poucos trabalhos envolvendo deslocamentos de líquidos com viscosidades comparáveis, ou seja, razão de viscosidade diferente de zero. Apresentou-se o detalhamento do projeto de construção de uma célula de Hele-Shaw aplicável ao deslocamento de um líquido por outro líquido. A evolução da forma da interface foi analisada, através de uma câmera fotográfica, em função dos parâmetros geométricos, dinâmicos e reológicos. A partir da vetorização da forma da interface, determinou-se a eficiência do deslocamento. Sendo assim, foi definido o espectro de situações em que há formação de fingers e plugs relativos ao deslocamento de goma xantana por um óleo mineral. Não há na literatura uma convenção universal para apresentação dos resultados, logo uma contribuição original refere-se à adimensionalização proposta onde os principais parâmetros governantes são a velocidade adimensional, o número de capilaridade reológico e o índice de comportamento da goma xantana. Observou-se que para um valor constante do índice de comportamento e para um valor do número de capilaridade reológico da ordem de 10-1, a eficiência de deslocamento aumenta com a velocidade adimensional, porque a razão de viscosidade diminui. / [en] This work studied the displacement of fluids in porous media using a Hele-Shaw cell. Specifically, was investigated experimentally the displacement of a non-Newtonian fluid by a Newtonian in a rectangular Hele-Shaw cell. The Saffman-Taylor or viscous fingering instability occurs when one fluid pushes a more viscous one, and a Hele-Shaw is a convenient tool to the phenomenon observation. Applications include displacement of heavy crude oil in reservoirs, drilling fluid invasion through porous media, fracture conductivity, polymer processing, hydrology and filtration. The Saffman-Taylor instability has been extensively studied for Newtonian and non-Newtonian liquids displaced by air in a Hele-Shaw cell. However displacement flows involving two liquids of comparable viscosity (nonzero viscosity ratio) have received very little attention. It was presented the details of construction of a Hele-Shaw applicable to a liquid-liquid displacement. The evolution of the shape of the interface was analyzed through a digital camera, as a function of the geometric, dynamic and rheological parameters. From tracing the shape of the interface, was determined the displacement efficiency. Thus, it was defined the spectrum of situations in which there is formation of fingers and plugs relating to displacement of xanthan gum by a mineral oil. There is no universal convention in the literature for presenting the results so a original contribution concerns the proposed dimensionless parameters. The main parameters that govern this flow are the dimensionless flow rate, the rheological capillary number and the behavior index of xanthan gum. It was observed that for a constant value of the behavior index and for a rheological capillary number of magnitude of 10-1, the displacement efficiency increases with the dimensionless flow rate, because the viscosity ratio decreases.