[pt] Nas últimas décadas, tem-se observado um crescente número de pesquisas e aplicações envolvendo estruturas hiperelásticas, integrando diferentes áreas da engenharia de estruturas e de materiais, impulsionados pelos avanços tecnológicos do processo de manufatura por adição (impressões 3D e 4D), muitas envolvendo flambagem. Entretanto têm-se poucas informações sobre a estabilidade de elementos estruturais hiperelásticos. O objetivo desta tese é, pois, estudar a estabilidade de colunas e arcos hiperelásticos. Com esta finalidade, desenvolve-se inicialmente uma formulação variacional não linear pseudo-3d para vigas hiperelásticas incompressíveis, seguindo as hipóteses de Euler-Bernoulli. Para avaliar esta formulação, o problema de flexão pura de uma viga hiperelástica é investigado numericamente usando elementos finitos, e experimentalmente. Diversos modelos constitutivos para materiais hiperelásticos não lineares submetidos a deformações finitas são adotados. Ensaios uniaxiais são usados para determinação das constantes de cada modelo constitutivo e determinação do modelo mais preciso para o material considerado (polivinilsiloxano). Diversos elementos finitos uni- e tridimensionais são testados. A comparação entre resultados obtidos pela formulação proposta e por elementos finitos com os dados experimentais permitem determinar a precisão da formulação bem como o tipo de elemento e a discretização mais apropriada para as análises. Adicionalmente, estes resultados permitem aferir a importância das deformações axiais e cisalhantes e do peso próprio em barras hiperelásticas. O auxílio de um software de medição por correlação de imagem digital durante os ensaios permite uma análise aprofundada do campo de deformações, juntamente com as análises por elementos finitos tridimensionais. A seguir estuda-se a flambagem de colunas hiperelásticas com diferentes condições de contorno. Sob solicitações de flexo-compressão, observase que as deformações da estrutura ao longo do caminho não linear de equilíbrio são influenciadas pelas deformações axiais e cisalhantes, que se mostram importantes mesmo sob pequenas deformações. Tendo em vista a importância das imperfeições iniciais em problemas de estabilidade, propõe-se aqui uma modificação do método de Southwell para incluir tais deformações. Finalmente, analisa-se o comportamento multiestável de arcos hiperelásticos pré-tensionados considerando um ou múltiplos arcos associados em paralelo, obtendo-se boa correlação entre resultados numéricos e experimentais. Os resultados obtidos na análise experimental mostram que flexibilidade dos materiais hiperelásticos altera os caminhos de equilíbrio e que a estrutura é capaz de apresentar níveis elevados de deformação sem danos ao material, conferindo-as um grande potencial de absorção e armazenamento de energia. Observa-se também o papel importante do peso próprio nessas trajetórias. A compreensão do comportamento não linear e estabilidade desses sistemas estruturais são importantes em aplicações práticas como controle de vibrações, absorção e coleta de energia, desenvolvimento de metamateriais, bioengenharia e medicina e robôs flexíveis, dentre outras. / [en] In recent decades, there has been an increasing number of researches and applications involving hyperelastic structures, integrating different areas of engineering structures and materials, driven by technological advances in the manufacturing process by addition (3D and 4D printing), many involving buckling. However, there is little information about the stability of hyperelastic structural elements. The objective of this thesis is, therefore, to study the stability of hyperelastic columns and arches. For this purpose, a non-linear pseudo-3d variational formulation is initially developed for incompressible hyperelastic beams, following the Euler-Bernoulli hypotheses. To evaluate this formulation, a pure bending problem of a hyperelastic beam is investigated numerically using finite elements, and experimentally. Several constitutive models for nonlinear hyperelastic materials subjected to finite strains are adopted. Uniaxial tests are used to determine the constants of each constitutive model and to determine the most accurate model for the material considered (polyvinylsiloxane). Several one- and three-dimensional finite elements are tested. The comparison between results obtained by the proposed formulation and by finite elements with the experimental data allows determining the accuracy of the formulation as well as the type of element and the most appropriate discretization for the analyses. Additionally, these results allow evaluating the importance of axial and shear strains and self-weight in hyperelastic bars. The aid of a digital image correlation measurement software during the tests allows an in-depth analysis of the deformation field, along with three-dimensional finite element analyses. Next, the buckling of hyperelastic columns with different boundary conditions is studied. Under bending and compression actions, it is observed that the deformations of the structure along the non-linear path of equilibrium are influenced by axial and shear deformations, which are important even under small deformations. Bearing in mind the importance of initial imperfections in stability problems, a modification of the Southwell method is proposed here to include such deformations. Finally, the multistable behavior of pre-compressed hyperelastic arches is analyzed considering one or multiple archess associated in parallel, obtaining a good correlation between numerical and experimental results. The results obtained in the experimental analysis show that the flexibility of hyperelastic materials alters the equilibrium paths and that the structure is capable of presenting high levels of deformation without damage to the material, giving them a great potential for energy absorption and storage. It is also observed the important role of self-weight in these trajectories. Understanding the non-linear behavior and stability of these structural systems are important in practical applications such as vibration control, energy absorption and harvesting, metamaterial development, bioengineering and medicine and flexible robots, among others.

[pt] Essa pesquisa usa o Método do Ponto Material (MPM), para avaliar diferentes aspectos de deslizamentos de encosta. Esse tema é de suma importância, visto que os deslizamentos de terra são o desastre natural que mais causa perdas humanas no Brasil. Esse método numérico foi verificado a fim de que fosse encontrado o fator de segurança e a superfície de ruptura em um talude infinito com solo representado pelo modelo constitutivo de Drucker-Prager. Além disso, foi validado para calcular a força de impacto em um anteparo, sendo o volume impactante um objeto qualquer elástico ou um solo com modelo de Drucker-Prager. Os cálculos foram executados com o código desenvolvido pela PUC-Rio e produziram excelentes resultados. Foi observada uma grande dependência dos resultados com a malha, e assim como no Método dos Elementos Finitos, o refinamento da malha gera convergência para um resultado. O método foi considerado satisfatório para cálculo de uma parede de retenção em locais de risco. / [en] This research uses a numerical method, the Material Point Method, to evaluate different aspects of slope landslides. This theme is of paramount importance since landslides are the natural disaster that shows the highest number of deaths in Brazil. The method was verified so that it could find the safety factor and rupture surface in an infinite slope with soil represented by the Drucker-Prager constitutive model. In addition, the method was validated to calculate impact force in a bulkhead; the impacting volume could be any elastic object or soil with the Drucker-Prager model. The calculations were performed using the code developed by PUC-Rio and showed excellent results. It was observed high dependence on the mesh discretization, as well as the Finite Element Method, the refinement of the mesh generates convergence for a result. The method was considered satisfactory for calculating a retention wall at risk locations.

[pt] Instrumentos de varredura magnética em estruturas, componentes e materiais têm sido objeto de pesquisa científica e são potenciais protótipos para uso na indústria, sobretudo em inspeção não destrutiva, para identificar defeitos em estruturas metálicas sujeitas a condições extremas como altas temperaturas, pressão e forte tensão. Essas condições podem levar à falhas dessas estruturas comprometendo sua operação, acarretando prejuízos e possíveis acidentes. Nesse sentido, construímos um instrumento para varredura da resposta magnética em placas de aço com defeitos utilizando dois sistemas de medição. No primeiro sistema utilizamos um equipamento comercial: Gaussímetro da marca F.W. BELL (modelo 9950), com três sensores de efeito Hall perpendiculares entre si. No segundo, um gradiômetro construído no Laboratório de Instrumentação do Departamento de Física da PUC-Rio composto de dois sensores de efeito Hall da marca Melexis (modelo 90215). Para a varredura de ambos os sistemas de medição foram utilizados dois atuadores lineares da marca Zaber (modelo T-LLS260C). Com o instrumento construído foi possível identificar defeitos manufaturados por eletroerosão em placas de aço SAE 1020. O segundo sistema de medição se mostrou mais eficiente em detectar defeitos com diâmetros da ordem de 0,90 mm e 10 μm de profundidade. Também construímos um sistema de filtros em uma placa de circuito impresso para atenuar o ruído presente. A partir da análise de sinal-ruído notou-se que o circuito foi eficaz e permitiu uma melhor identificação dos defeitos. Para reforçar a aplicação desse equipamento na pesquisa científica e na indústria, desenvolvemos uma rotina em MATLAB para estimar a profundidade dos defeitos e obtivemos resultados com erro de 3,54 por cento. / [en] Magnetic scanning instruments in structures, components, and materials have been the object of scientific research and are potential prototypes to be used in the industry, especially in non-destructive inspection to identify defects in metal structures subject to extreme conditions, such as high temperatures, pressure, and high tension. These conditions may lead to the failure of these structures, affecting their operation and resulting in losses and possible accidents. In this sense, we developed an instrument for scanning the magnetic response in defective steel plates using two measurement systems. In the first system, we used commercial equipment: Gaussmeter (F.W.BELL, model 9950), with three Hall-effect sensors perpendicular to each other, and in the second one, a gradiometer, composed of two Hall-effect sensors (Melexis, model 90215), developed at the Instrumentation Laboratory of the Physics Department of the PUC-Rio. For scanning both measurement systems, two linear actuators (Zaber, model T-LLS260C) were used. The instrument allows us to identify defects caused by electrical discharge machining on SAE 1020 steel plates. The second measurement system proved to be more efficient in detecting defects with diameters in the order of 0.90 mm and 10 μm in depth. A filter system was also built on a printed circuit board to attenuate noise. The signal-noise analysis showed that the circuit was effective and made possible a better identification of the defects. To reinforce the application of this instrument in scientific research and industry, a routine in MATLAB was developed to estimate the depth of the defects, resulting in an error of 3.54 per cent.

[pt] Esta dissertação apresenta um debate sobre a técnica que aproveita os materiais disponíveis no local. Este debate começa pelo próprio conceito de técnica e pela ideia de progresso técnico, para se esclarecer mais sobre a natureza da técnica que estamos pesquisando. Diferentes movimentos que se relacionam à técnica que estamos pesquisando são apresentados, como a tecnologia apropriada, a permacultura e a arquitetura popular tradicional. O objeto de estudo é a construção em terra crua, bambu e fibras naturais, que são os materiais pesquisados no Laboratório de Investigação em Living Design (LILD). É utilizada a metodologia prática deste laboratório e sua experiência prévia com técnicas que trabalham com estes materiais para dar prosseguimento à investigação. / [en] This dissertation presents a discussion on the technique that uses materials available on site. This discussion begins with the concept of technique and the idea of technical progress, to further clarify the nature of the technique that we are researching. Different movements that relate to the technique that we are researching are presented, such as appropriate technology, permaculture and traditional folk architecture. The object of investigation is buildings with mud, bamboo and natural fibers, which are the materials studied by the Laboratório de Investigação em Living Design (LILD). This study uses the practical methodology of the laboratory and its previous experience with techniques that work with these materials to continue the investigation.

[pt] Neste trabalho um estudo de estruturas pneumáticas considerando acoplamento pressão–volume e modelos constitutivos plásticos e viscoplásticos são desenvolvidos. Estruturas pneumáticas são estruturas de membrana sobre as quais atuam pressão de gases estabilizadas por tensões de tração. Essas estruturas são mais leves que estruturas convencionais resultando em soluções mais econômicas. Elas possuem ainda algumas características que contribuem para um desenvolvimento sustentável, como a utilização de luz natural e ventilação e a possibilidade de reutilização. Quando as estruturas pneumáticas são submetidas a cargas externas, essas estruturas apresentam variação da pressão internal e do volume. Este acoplamento é um dos objetos de estudo do presente trabalho. Soluções analíticas são desenvolvidas para descrever este acoplamento. Em programas convencionais de elementos finitos esse acoplamento não é considerado. Uma formulação para o acoplamento pressão–volume para câmaras fechadas é incluído no modelo de elementos finitos com grandes deformações. A variedade de modelos de material implementados tem a finalidade de abranger o comportamento de muitos tipos de materiais de membrana usados em estruturas pneumáticas. Na literatura o estudo dos materiais de membrana para estruturas pneumáticas tem foco na análise experimental. Modelos para material de membrana são incorporados no modelo de elementos finitos para pequenas e grandes deformações. Os modelos constitutivos considerados neste trabalho são hiperelástico, elastoplástico e elastoviscoplástico. A ocorrência de grandes deformações é incluída. Um novo material baseado em superfícies NURBS é proposto e validado com base em resultados experimentais e modelos clássicos de materiais. Neste trabalho ênfase é dada ao material ETFE (Etileno tetrafluoretileno), o qual é amplamente usado em estruturas pneumáticas. Os modelos desenvolvidos aqui, como o acoplamento pressão–volume e os modelos de materiais são implementados em elementos finitos no programa usado na cadeira de estática das construções da TUM (Technische Universitat Munchen), chamado CARAT++ (Computer Aided Research Analysis Tool). / [en] In this work a study of pneumatic structures considering pressure–volume coupling under plastic and viscoplastic material behavior is developed. Pneumatic structures are membrane structures acted on by air or gases stabilized by tension. These structures are lighter than conventional structures resulting in economic structural solutions. They present also some characteristics that contribute to the sustainable development, such as the utilization of natural lighting and ventilation and its possibility of reuse. When pneumatic structures are subjected to external loads these structures present both internal pressure and volume variation. This coupling is one of the objects of the present work. Analytical solutions are developed to describe this coupling. In conventional finite element systems this coupling is not considered. A formulation for pressure–volume coupling by closed chambers is included in the framework of a finite element large strain model. The variety of material models implemented has the purpose to cover the behavior of the many kinds of membrane materials used in pneumatic structures. In the literature the study of the membrane materials for pneumatic structures focuses on experimental analysis. Membrane material models are incorporated in the finite element model for small and large strains. The constitutivematerial models considered in this work are hyperelastic, elastoplastic and elastoviscoplastic. The onset of large strains is enclosed. A new material model based on NURBS surfaces is proposed an validated on hand of experimental results and classic material models. In this work emphasis is given to the material ETFE (Ethylene tetrafluoroethylene), which is widely used in pneumatic structures. The models developed here, such as the pressure-volume coupling and the material models, are implemented in finite elements on the program used in the Static Chair at TUM (Technische Universitat Munchen), which is called CARAT++ (Computer Aided Research Analysis Tool).

[pt] O crescente uso de antenas para a transmissão de dados tem demandado a instalação de um número crescente de torres, com destaque para as torres estaiadas. Essas estruturas são compostas por um mastro central e diversos níveis de estais. As torres são estruturas esbeltas e apresentam um comportamento altamente não linear sob cargas estáticas e dinâmicas, devido à interação mastro-cabos e altura elevada da torre. O objetivo deste trabalho é estudar a influência da não linearidade no comportamento estático e dinâmico de uma torre estaiada. Para isto, desenvolvem-se modelos de torre estaiada em elementos finitos, com dois níveis de cabos pré-tensionados. Consideram-se dois tipos de geometria para a disposição dos cabos: em leque e em paralelo. Em particular, investiga-se o efeito da ruptura de um ou mais cabos e do comportamento elastoplástico dos materiais que compõem a torre estaiada na estabilidade e vibrações não lineares da estrutura. Inicialmente, avalia-se o comportamento linear da estrutura, obtendo-se as frequências naturais e cargas críticas. A seguir, obtêm-se os caminhos não lineares de equilíbrio de cada modelo, aplicando o conceito de imperfeição modal. Finalmente, realiza-se a análise da vibração livres e forçada amortecida. Para isto utilizam-se as respostas no tempo e plano de fase, transformadas de Fourier e espectrográficos. Em todos os casos analisa-se em detalhe o efeito da perda de cabos e da plastificação dos elementos na capacidade de carga, estabilidade e deslocamentos da estrutura. Os resultados demonstram que a perda de cabos e plastificação dos elementos têm grande influência nas frequências naturais e cargas críticas. Finalmente, nessas condições observa-se um comportamento não linear com perda de capacidade de carga e aumento significativo de deslocamentos, velocidades e acelerações, evidenciando a necessidade de investigação do comportamento não linear desse tipo de estrutura. / [en] The growing use of antennas for data transmission calls for the installation of growing number of high towers, with the cable-stayed towers standing out. These structures are composed of a central mast and several levels of stays. These towers are slender structures and exhibit a highly non-linear behavior under static and dynamic loads, due to the mast-cable interaction and the tower height. The objective of this work is to study the influence of the nonlinearity on the static and dynamic behavior of a cable-stayed tower. For this, finite element models of cable-stayed towers with two levels of pre-tensioned cables are developed. Two cable disposition geometries are considered: fan and parallel. In particular, the effect of the rupture of one or more cables and the elastoplastic behavior of the cable-stayed tower materials on the stability and non-linear vibrations of the structure is investigated. Initially, the linear behavior of the structure is evaluated through the natural frequencies and critical loads. Next, the non-linear equilibrium paths of each model are obtained, applying the concept of modal imperfection. Finally, free and forced damped vibration analysis is performed. For this purpose, responses in time and phase plane, Fourier transforms and spectrographs are used. In all cases, the effect of the loss of cables and the plastification of the elements on the load capacity, stability and displacements of the structure is analyzed in detail. The results demonstrate that the loss of cables and plastification of elements have a great influence on natural frequencies and critical loads. Under such conditions, non-linear behavior with loss of load capacity and significant increase in displacements, velocities and accelerations stand out, and highlight the need for investigation of the nonlinear behavior of this type of structure.

[pt] Os analisadores hematológicos são sistemas de medição que permitem identificar elementos sanguíneos, incluindo a contagem diferencial dos cinco tipos de leucócitos encontrados no sangue periférico: neutrófilos, linfócitos, monócitos, eosinófilos e basófilos. Devido à inexistência de materiais de referência certificados ou métodos de referência para a análise diferencial de leucócitos, tem sido habitual avaliar o desempenho de novos analisadores comparando-os com sistemas tradicionalmente disponíveis e bem consolidados. Em 2015, foi lançada uma nova tecnologia portátil e de baixo custo, o modelo DxH500 (Beckman Coulter), baseada na perda axial de luz usando LED azul como emissor, combinada à medição de impedância. O presente trabalho compara o desempenho do DxH500 com um modelo bastante utilizado desde seu lançamento em 2001 para exames laboratoriais em larga escala, o modelo LH750 (Beckman Coulter), baseado na combinação dos princípios de impedância, condutividade e dispersão de luz (VCS). No estudo foram examinadas 310 amostras pareadas. A análise comparativa entre os resultados fornecidos por cada dispositivo indicou uma boa correlação para a caracterização de neutrófilos, linfócitos, monócitos e eosinófilos. Apesar da reduzida correlação observada para a contagem de basófilos, esse resultado não apresenta relevância clínica já que os valores obtidos para as amostras avaliadas foram muito reduzidos, inferiores aos limites de referência. Embora a análise comparativa realizada tenha apontado para um desempenho equivalente utilizando-se tecnologias com princípios diversos, a adequada avaliação dos dispositivos de análise hematológica requer o desenvolvimento de materiais de referência certificados, uma demanda fundamental para a garantia da confiabilidade na quantificação diferencial de leucócitos. / [en] Hematology analyzers are measurement systems that allow the identification of blood elements, including differential counting of the five types of leukocytes found in peripheral blood: neutrophils, lymphocytes, monocytes, eosinophils, and basophils. Because of the lack of certified reference materials or reference methods for differential leukocyte analysis, it has been customary to evaluate the performance of new analyzers by comparing them with traditionally available and well-established systems. In 2015, a new low-cost, portable technology was introduced, the Beckman Coulter DxH500 model, based on the axial loss of light using blue LED as a combined transmitter for impedance measurement. The present work compares the performance of the DxH500 with a widely used model since its launch in 2001 for large-scale laboratory tests, the Beckman Coulter model LH750, based on the combination of impedance, conductivity and scatter (VCS). In the study, we examined 310 paired samples. The comparative analysis between differential leukocyte evaluation results provided by each device indicated a good correlation for the characterization of neutrophils, lymphocytes, monocytes, and eosinophils. Despite the low correlation observed for basophil counts, this result is not clinically relevant since the values obtained for the evaluated samples were very low, lower than the reference limits. Although the comparative analysis carried out pointed to an equivalent performance using technologies with different principles, the adequate evaluation of hematological analysis devices requires the development of certified reference materials, fundamental demand for the reliability of the differential quantification of leukocytes.

[pt] A tese investiga os princípios da pesquisa experimental para a criação de objetos em harmonia com o meio ambiente físico e social. A base para este estudo é a pesquisa realizada no Laboratório de Investigação em Livre Desenho (LILD) da PUC-Rio. Defendemos a tese de que a metodologia experimental para a pesquisa dessas técnicas se beneficia tanto de elementos da cultural material pré-industrial, quanto de técnicas informatizadas e do conhecimento universitário moderno. A partir do encontro desses diferentes saberes, a pesquisa experimental pode enriquecer seus parâmetros e ter maior potencial para a geração de objetos em harmonia com o meio ambiente físico e social. A tese conta com o resultado da pesquisa em dois campos - uma aldeia indígena na Amazônia e o laboratório CPI (Construction Process Investigation), da Universidade do Havaí. Também é feita a descrição de oficinas realizadas para o compartilhamento de técnicas desenvolvidas no laboratório. A partir dos elementos, apresentamos um debate acerca da pesquisa e do desenvolvimento de objetos em harmonia com o meio ambiente físico e social e concluímos que o encontro entre os conhecimentos da cultura material de sociedades pré-industriais e da pesquisa acadêmica ligada à indústria potencializa a metodologia da pesquisa de técnicas em harmonia com o meio ambiente físico e social. / [en] This thesis investigates the principles of the experimental research for the creation of objects that are in harmony with the physical and social environments. The base for this study is the research done in the Laboratório de Investigação em Livre Desenho (LILD). We defend the idea that the experimental methodology in this kind of research is enrichened both by elements of pre-industrial material culture and by modern academic knowledge. With these different knowledges, experimental research can enrich its parameters and have greater potential to create objects in harmony with the physical and social environments. Thus, the thesis has the result of two fiel researches - and indigenous village in the Amazon and the CPI (Construction Process Innovation) lab of the University of Hawaii. There is also a description of workshops that have been done to share the techniques developed in the laboratory. Based on these elements, we present a discussion about the experimental research and about the development of objects in harmony with the physical and social environments, and we come to the conclusion that the integration of elements of pre-industrial societies and of academic research related to the industry favors to the development of the methodology for research of techniques in harmony with the physical and social environments.

[pt] Os recentes avanços das técnicas de manufatura aditiva vêm ampliando a sua flexibilidade em fabricar peças complexas em escala cada vez menores. Neste contexto, o projeto de microestruturas porosas vem se destacando na comunidade científica devido a capacidade de se otimizar a topologia da célula para atender aos requisitos de projeto. No entanto, existem vários desafios que dificultam a fabricação de peças obtidas pelo método de otimização topológica multiescala, dentre eles, a conectividade das microestruturas. A otimização topológica multiescala consiste na otimização tanto da macroescala, estrutura global, quanto da microescala, microestrutura do material. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver um esquema eficaz para garantir a transição entre as diferentes microestruturas de material obtidas na otimização multiescala. As metodologias multiescala de otimização topológica simultânea de ambas as escalas e os procedimentos de homogeneização são descritos. Apresentam-se os principais aspectos numéricos e computacionais destes métodos, assim como exemplos ilustrativos. / [en] Recent advances in additive manufacturing techniques have increased their flexibility in making complex parts on a smaller scale. In this context, the design of porous microstructures has been standing out in the scientific community due to the ability to optimize the cell topology to meet the design requirements. However, there are several challenges that inhibit the fabrication of optimized parts obtained by the multi-scale topology optimization method, such as the connectivity of microstructures. The multiscale topological optimization consists of the optimization of both the macro-scale, global structure, and the micro-scale, microstructure of the material. The main objective of this work is to develop an effective scheme to guarantee compatibility in the transition between the different material microstructures obtained in multiscale optimization. The multiscale methodologies for simultaneous topological optimization of both scales and the homogenization procedures are described. The main numerical and computational aspects of these methods are presented, as well as representative examples to illustrate the capabilities of the proposed scheme.