[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] Em décadas recentes, renovou-se o interesse no campo da estabilidade estrutural em função das novas aplicações envolvendo estruturas inteligentes e ajustáveis, micro e nano componentes e a mecânica dos metamateriais. Em muito destas estruturas deseja-se um comportamento multiestável, que pode ser obtido por materiais tradicionais ou novos materiais capazes de sofrer grandes deformações elásticas. Neste trabalho o comportamento não linear, estabilidade e vibrações de uma treliça neo-Hookeana que exibe comportamento multiestável é investigada. Neste caso, a teoria de grandes deformações é essencial para modelar as barras da treliça. Muitos trabalhos na literatura investigam a estabilidade de treliças, porém são restritos ao comportamento linear dos materiais. No presente trabalho uma análise paramétrica detalhada de treliças abatidas e não abatidas submetidas à carga estática vertical ou horizontal é realizada, considerando a elasticidade em seu domínio não linear completo para derivar as equações não lineares de equilíbrio e movimento. Imperfeições de carga e geométricas são consideradas. Assim, os caminhos de equilíbrio são obtidos, sua estabilidade é investigada utilizando o princípio da energia potencial mínima, frequências naturais e conceito de bacias de atração. Os resultados demonstram que a presença simultânea da não linearidade do material e geométrica dá origem a novos caminhos de equilíbrio que não são esperados para os materiais elásticos lineares, resultando em várias soluções estáveis e instáveis coexistentes e em uma complexa superfície de energia potencial, esclarecendo a influência do modelo neo-Hookeano nos resultados. Os presentes resultados poderão ajudar no desenvolvimento de novas aplicações na engenharia onde a multiestabilidade é desejada. / [en] Recent decades have seen a renewed interest in the field of structural stability due to new applications involving smart and deployable structures, micro- and nanocomponents and mechanical metamaterials, among others. In many of these structures multistable behaviour is desirable, which can be accomplished by traditional and new materials capable of undergoing large elastic deformations. In this paper the nonlinear behaviour, stability and vibrations of a hyperelastic neo-Hookean truss exhibiting multistable behaviour is investigated. In such case, the large deformation theory is essential to model the truss members. Most papers in the literature dealing with this problem is however restricted to linear material behaviour. In the present work a detailed parametric analysis of shallow and steep trusses under horizontal or vertical loads, considering elasticity in the fully non-linear range is employed to derive the nonlinear equilibrium and motion equations. Then, all equilibrium paths are obtained and their stability is investigated using the minimum energy principle, natural frequencies and the basins of attraction concept. Load and geometric imperfections are considered. The results show that the simultaneous presence of geometric and materials nonlinearities lead to new equilibrium paths which are not expected for linear elastic materials, resulting in several coexisting stable and unstable solutions and a complex potential energy landscape, clarifying the influence of the constitutive hyperelastic model on the results. The present results may help the development of new engineering applications where multistability is wanted.

[pt] Sabe-se que os anéis e tubulações elásticas de paredes finas estão sujeitos a instabilidades quando sob tensões compressivas. Um exemplo particularmente interessante é a flambagem de um anel elástico sob uma pressão hidrostática. A carga de flambagem é fortemente influenciada pela natureza seguidora da força devida à pressão hidrostática e, se esse efeito for desprezado, a previsão da carga de flambagem crítica pode ser de até 50 por cento para anéis esbeltos. Este trabalho estuda, usando uma formulação variacional não linear, as características de flambagem e vibração de anéis e tubulações apoiados em uma fundação elástica de Pasternak, sendo a fundação de Winkler considerada como um caso particular. Primeiro, a equação de movimento do anel pré-carregado é derivada e a solução analítica dos problemas de autovalor é obtida. A análise paramétrica mostra a influência dos parâmetros geométricos e físicos do anel e da fundação na carga crítica, frequências naturais e relação não linear carga-frequência, considerando o efeito da força seguidora da pressão hidrostática. Adicionalmente, o efeito da fundação nas deformações pré-críticas é estudado. Finalmente, o efeito de uma imperfeição geométrica inicial é avaliado usando o método de Galerkin. Os resultados mostram que os parâmetros da fundação de Pasternak têm um efeito considerável na carga e modo crítico, na frequência fundamental do anel. / [en] It is known that thin-walled elastic rings and pipes are subject to instability when under a state of compressive stresses. A particularly interesting example is the buckling of an elastic ring under hydrostatic pressure. The buckling load is strongly influenced by the following nature of the force due to the hydrostatic pressure and, if this effect is neglected, the forecast of the critical buckling load can be up to 50 per cent for slender rings. This work studies, using a non-linear variational formulation, the buckling and vibration characteristics of rings and pipes supported by a Pasternak elastic foundation, the Winkler foundation being considered as a particular case. First, the equation of motion of the preloaded ring is derived and the analytical solution of the eigenvalue problems is obtained. Parametric analysis shows the influence of the geometric and physical parameters of the ring and the foundation on the critical load, natural frequencies and nonlinear load-frequency relationship, considering the force following effect of the hydrostatic pressure. Additionally, the effect of the foundation on pre-critical deformations is studied. Finally, the effect of an initial geometric imperfection is assessed using the Galerkin method. The results show that the parameters of the Pasternak foundation have a considerable effect on the critical load and mode as well as on the natural frequencies of the ring.

[pt] Nessa dissertação, são avaliados os comportamentos crítico e pós-crítico de uma placa retangular fina, simplesmente apoiada, sob compressão. Um modelo não-linear para placas perfeitas e com imperfeições é desenvolvido com base na teoria não-linear de placas proposta por Marguerre. O modelo discretizado possui dois graus de liberdade que são caracterizados pela flambagem em m e (m+1) meia-ondas senoidais na direção do carregamento. Obtém-se analiticamente soluções desacopladas e acopladas através de programas de álgebra simbólica (Maple V Realese 4). Realiza- se um detalhado estudo paramétrico visando identificar todas as possíveis configurações de equilíbrio e, para cada configuração determinada, analisa-se sua estabilidade. É também estudada a influência de imperfeições geométricas iniciais, tanto na superfície de energia quanto no número e estabilidade das soluções. Os resultados mostram que o acoplamento modal tem uma grande influência sobre o comportamento pós-crítico destas placas, podendo provocar mudanças bruscas dos modos de flambagem. Finalmente, é analisada a influência das imperfeições e tensões de compressão inicias nas freqüências naturais da placa, mostrando como estas freqüências podem ser utilizadas para determinar cargas críticas sem a necessidade de execução de ensaios destrutivos. / [en] The buckling and post buckling behavior of simply supported thin rectangular plates in axial compression is considered in this dissertation. A non- linear model for perfect and imperfect plates is developed based on Marguerre non-linear plate theory. The discretized model is considered as having two degrees of freedom characterized by buckling in m and (m+1) halfsinewaves axially and uncoupled and coupled solutions are obtained analytically by the use of symbolic algebra software. A detailed parametric study is conducted to identify all possible equilibrium solutions and establish their stability. The influence of initial geometric imperfections on the energy surface, number and stability of solutions is taken into account as an indispensable part of the analysis. The results shown that modal coupling has a strong influence on the post-buckling behavior of these plates and may explain abrupt changes of waveform of plates in the post-buckling range. Also, the influence of imperfections and initial compressive stress on the natural frequencies of the plate is analyzed and it is shown how these frequencies can be used to estimate safe buckling loads of rectangular plates non-destructively. / [es] Este trabajo presenta un análisis experimental de cinco vigas de concreto, simplemente apoyadas, protendidas con cables sintéticos externos, con el objetivo de estudiar la influencia de la resistencia del concreto en la variación de la fuerza de los cables de protensión y en la resistencia a la flexión de las vigas. La protensión de las vigas fue hecha con cables sintéticos conocidos como Parafil, con resistenciaa la tracción de 1950MPa y módulo de elasticidad de 126000MPa. La única variable considerada fue la resistencia del concreto, cuyos valores fueron 36, 57, 73, 74 y 104MPa. El concreto de las vigas con resistencia de 57, 73, 74 y 104MPa fueron construidos con el uso de la microsílica y aditivo superplastificante, con excepción de la viga con resistencia de 36MPa que fue construida con concreto común. Los resultados mostraron que la influencia de la resistencia del concreto sobre la resistencia a la flexión de las vigas no es grande. Para el aumento de 189% en la resistencia del concreto, se produjo un aumento en la variación de la fuerza en el cable de apenas 13.6% y un aumento de 33% en el momento de ruptura. Comparando los resultados experimentales con los resultados de las principales normas y modelos propuestos se verificó que todos ofrecen buenos resultados y subestiman los valores experimentales. Comparando los resultados experimentales con el modelo de Campos (1993) se observó que los valores de la variación en la fuerza en el cable superestiman los valores experimentales. 1267 En esta disertación, se evalúan los comportamientos crítico y poscrítico de una placa rectangular fina, simplemente apoyada, bajo compresión. Se desarrolla un modelo no lineal para placas perfectas y con imperfecciones teniendo como base la teoría no lineal de placas propuesta por Marguerre. El modelo discretizado posee dos grados de libertad que son caracterizados al flamear en m y (m+1) medias-ondas senoidales en la dirección de sobrepeso. Se obtienen analíticamente soluciones desacopladas y acopladas a través de programas de álgebra simbólica (Maple V Realese 4). Se realiza un detallado estudio paronétrico tratando de identificar todas las posibles configuraciones de equilibrio y, para cada configuración determinada se analisa la estabilidad. También se estudia la influencia de imperfecciones geométricas iniciales, tanto en la superfície de energía como en el número y estabilidad de las soluciones. Los resultados muestran que el acoplamiento modal tiene una gran influencia sobre el comportamiento poscrítico de estas placas, lo que puede provocar cambios bruscos de los modos de flamear. Finalmente, se analiza la influencia de las imperfecciones y tensiones de compresión iniciales en las frecuencias naturales de la placa, mostrando como estas frecuencias pueden ser utilizadas para determinar cargas críticas sin necesidad de ejecución de ensayos destructivos.

[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] As vigas casteladas estão sujeitas aos modos de falha devido a plastificação (plastificação do tê e mecanismo de Vierendeel) e flambagem (flambagem do montante da alma e flambagem do tê). O tê é a parte da seção transversal na localização da abertura e o montante da alma a região entre duas aberturas adjacentes. Esses modos de falha são tratados no manual do AISC (Design Guide 31) de vigas casteladas como modos individuais. Nesse manual, os esforços locais no tê são calculados através de uma analogia com a viga Vierendeel e a interação entre os modos de falha nessa região são considerados a partir de uma equação de interação. Embora estas verificações estejam coerentes, esse dimensionamento pode ser demasiadamente conservador por não considerar outros fatores como, por exemplo, a resistência pós-crítica. Todavia, estes fatores só podem ser considerados a partir de análises não lineares incluindo a não linearidade do material, não linearidade geométrica e imperfeição geométrica inicial. O presente trabalho tem por objetivo investigar os modos de falha das vigas casteladas do tipo Litzka travadas ao longo do comprimento, descartando assim, modos de falha por flambagem lateral com torção, usando o método dos elementos finitos. Neste trabalho, são avaliadas a influência da interação entre os elementos constituintes da seção transversal (isto é, mesa e alma), a interação entre modos de falha individuais e a reserva de resistência pós-crítica. Foi desenvolvida uma equação semi-analítica relacionando os parâmetros não dimensionais da seção transversal e a razão momento/cortante. Desse modo, foi possível classificar uma dada viga castelada, com geometria e carregamento, quanto ao seu comportamento dominado pela flexão (viga longa) ou pelo cisalhamento (viga curta). Em conjunto com uma esbeltez não dimensional (dependendo da carga crítica e da carga de plastificação) inspirada no Método da Resistência Direta. A partir destes parâmetros foi possível definir um mapa, que permitiu ordenar os modos de falha em regiões predeterminadas. Finalmente, foi realizado um estudo paramétrico, variando a geometria da viga castelada e considerando diferentes razões momento/cortante. Com base nesses resultados foi proposta uma equação do tipo Winter para obter a capacidade a flexão e ao cisalhamento de vigas casteladas com geometrias usuais. / [en] Castellated beams may experience failure modes associated to plastification (plastification of the tee section and Vierendeel mechanism) and buckling (webpost buckling and tee torsional buckling). The term tee is used to refer to the section described by the portion of the web and the flange where there is an opening and web-post is the portion of the section between two adjacent openings. The AISC design Guide 31 addresses each of these modes separately. There, the local forces in the tee section are calculated by an analogy to a Vierendeel beam and the interaction between the failure modes in the tee section is accounted for by an interaction equation. Although this methodology is consistent, it can be excessively conservative because it does not account for other factors, such as, the post-buckling resistance. However, these factors can only be assessed when nonlinear simulations including both material and geometry nonlinearities and initial imperfection are considered. The present work aims to investigate the failure modes of laterally braced Litzca-type castellated beam using the finite element method. In this work, aspects such as mutual influence of the constituent parts to the behavior (i.e., flange and web), interaction of individual modes and post-buckling reserve of strength were evaluated. A semi analytical equation based on geometrical non dimensional parameters and on the ratio of moment and shear load was developed. This way, a given castellated beam could be classified by its geometry and load in relation to the flexure (long beam) or shear behavior (short beam). In addition, together with a non-dimensional slenderness (depending on the plastic and buckling loads) inspired in the Direct Strength Method, a map was created that allowed the organization of the failure modes in pre-defined regions. Finally, a parametric study was carried out varying the geometry of the castellated beam and considering different ratios of moment to shear loads. Based on these results, a Winter-type equation was proposed to assess the load capacity of beams with typical geometries.