[pt] A parte inicial da dissertação apresenta uma discussão sobre o método de Monte Carlo e sobre geradores de realizações de variáveis aleatórias e vetores aleatórios. São analisados geradores baseados em: congruência linear, Método da Transformada Inversa e algoritmo de Metrópolis-Hastings (método de Monte Carlo com Cadeia de Markov MCMC). Posteriormente, são apresentadas técnicas para a análise de vibrações estocásticas em sistemas mecânicos com grau de liberdade, múltiplos graus de liberdade e contínuos. As propriedades dos sistemas são consideradas determinísticas e as forças são caracterizadas por processos estocásticos. Ao longo das seções do trabalho, é mostrado como características da resposta do sistema em deslocamento (média, autocorrelação e densidade espectral) podem ser obtidas a partir das informações sobre o forçamento. A transformada de Fourier, a função densidade eséctral e a função de transferência são importantes ferramentas utilizadas no estudo. No caso de sistemas com múltiplos graus de liberdade, análise é feita por dois métodos: Resposta ao Impulso e Modos Normais. Nos sistemas contínuos, análise é feita através do Método de Monte Carlo. Para isso, foi desenvolvido um exemplo de um sistema mecânico contínuo submetido a dois carregamentos caracterizados por processos estocásticos. Nesse exemplo, o MCMC foi utilizado para gerar amostras dos forçamentos. Em cada realização, o sistema foi discretizado através do Método dos Elementos Finitos e uma aproximação para solução do problema foi obtida utilizando o Método de Galerkin. Nessa parte da dissertação são apresentados a formulação fraca de equação de movimento da viga e o modelo reduzido. Ao longo de todo o trabalho são mostrados exemplos e resultados obtidos através de rotinas desenvolvidas em MATLAB. / [en] The initial of work presents a discussion about the Monte Carlo Method and about the generation of samples of random variables and ran dom vectors. Generators based on linear congruential, on the Inverse Trans form Method and, on Metropolis-Hastings algorithm (Markov Chain Monte Carlo Method MCMC) are analyzed. Later,techniques for vibrations ana lysis of single-degree of freedom, multi-degree of freedom and continuous stochastic mechanical systems are presented. The system properties are con sidered dertministic and, the forces are characterized by random process. Throughout the work sections, it is show how the system´s displacement response (mean, autocorrrelation and spectral density) can be characterized from the force informations. The Fourier transform, the spectral density function and transfer function are powerful tools used in the study. In the case of multi-degree of freedom systems, the analysis is done by two methods: Impukse Response and Normal modes. For continuous systems, it is made by Monte Carlo method. An example of one continuous mechanical system with two random loads were developed. In this example, MCMC is used to generate samples of the forces. For each realization, the problem is discretized by the Finite Element Method and one approximation of the solution is obtained by the Galerkin Method. In this part of the work, the weak formulation of the motion equation of the vibrating beam and the reduced model are presented. Throughout the work many rountines in MATLAB were developed.

[pt] Neste trabalho a Análise de Vibrações é tratada no contexto da formulação fraca. Um sistema contínuo é formulado abstratamente em um espaço de Hilbert e uma base de projeção é escolhida para a dinâmica. Um esquema de convergência para a aproximação é garantido à medida em que se aumenta o número de funções da base usada para representar a resposta do problema. Esta é a idéia por traz de métodos como o Método dos Elementos Finitos e o Método dos Modos Supostos, que derivam do Método de Galerkin. Esta estratégia é diferente do que comumente é ensinado nos cursos de vibrações, onde um sistema massa-mola é analisado, e sistemas discretos formados por massas, molas e amortecedores são discutidos. Nestes casos não se sabe qual é o erro cometido na análise numérica. A Análise de Vibrações é muito usada na manutenção preditiva de máquinas rotativas. Alguns fenômenos observados nesses equipamentos motivaram o desenvolvimento de um modelo numérico que pudesse reproduzir tais fenômenos para melhor entendê-los. Um sistema rotor-mancal é modelado e sua resposta dinâmica comparada qualitativamente com a resposta dinâmica captada através de acelerômetros fixados nos mancais de um exaustor da Companhia Siderúrgica de Tubarão (CST). Durante o trabalho diversos programas foram desenvolvidos através da plataforma MATLAB. / [en] Vibration Analysis is treated in the context of weak formulation. A continuous system is formulated in the Hilbert space and one base is selected to project the dynamics. An approximation scheme is guaranteed by increasing the number of functions in the base used to represent the response. This is the idea behind methods like the Finite Element Method and Assumed Modes Method, which derive from Galerkin Method. This strategy is different from what is commonly taught in vibration courses, where a mass-spring system is analyzed and discrete systems composed by masses, springs and dashpots are discussed. In those cases the error of the numerical analysis is not known. Vibration Analysis is very used in predictive maintenance of rotating machines. Some phenomenons observed in those machines motivated the development of a numerical model that could reproduce such phenomenons to better understand them. A rotor-bearing system is modelled and its dynamic response is qualitative compared to the dynamic response captured by accelerometers fixed on the bearings of a blower of the steel company Companhia Siderúrgica de Tubarão (CST). During this work several programs were developed using MATLAB software.

[pt] Esta dissertação tem como principal objetivo estudar aplicações da expansão ou decomposição de Karhunen-Loève em dinâmica de estruturas. Esta técnica consiste, basicamente, na obtenção de uma decomposição linear da resposta dinâmica de um sistema qualquer, representado por um campo vetorial estocástico, tendo a importante propriedade de ser ótima, no sentido que dado um certo número de modos, nenhuma outra decomposição linear pode melhor representar esta resposta. Esta capacidade de compressão de informação faz desta decomposição uma poderosa ferramenta para a construção de modelos reduzidos para sistemas mecânicos em geral. Em particular, este trabalho aborda problemas em dinâmica estrutural, onde sua aplicação ainda é bem recente. Inicialmente, são apresentadas as principais hipóteses necessárias à aplicação da expansão de Karhunen-Loève, bem como duas técnicas existentes para sua implementação, com domínios distintos de utilização.É dada especial atenção à relação entre os modos empíricos fornecidos pela expansão e os modos de vibração intrínsecos a sistemas vibratórios lineares, tanto discretos quanto contínuos, exemplificados por uma treliça bidimensional e uma placa retangular. Na mesma linha, são discutidas as vantagens e desvantagens de se usar esta expansão como ferramenta alternativa à análise modal clássica. Como aplicação a sistemas não-lineares, é apresentado o estudo de um sistema de vibroimpacto definido por uma viga em balanço cujo deslocamento transversal é limitado por dois batentes elásticos. Os modos empíricos obtidos através da expansão de Karhunen-Loève são, então, usados na formulação de um modelo de ordem reduzida, através do método de Galerkin, e o desempenho deste novo modelo investigado. / [en] This dissertation has the main objetive of studying applications of the Karhunen-Loève expansion or decomposition in structural dynamics. This technique consists basically in obtaining a linear decomposition of the dynamic response of a general system represented by a stochastic vector field. It has the important property of optimality, meaning that for a given number of modes, no other linear decomposition is able of better representing this response. This information compression capability characterizes this decomposition as powerful tool for the construction of reduced-order models of mechanical systems in general. Particularly, this work deals with structural dyamics problems where its application is still quite new. Initially, the main hypothesis necessary to the application of the Karhunen-Loève expansion are presented, as well as two existing techniques for its implementation that have different domains of use. Special attention is payed to the relation between empirical eigenmodes provided by the expansion and mode shapes intrinsic to linear vibrating systems, both discrete and continuous, exemplified by a bidimensional truss and a rectangular plate. Furthermore, the advantages and disadvantages of using this expansion as an alternative tool for classical modal analysis are discussed. As a nonlinear application, the study of a vibroimpact system consisting of a cantilever beam whose transversal displacement is constrained by two elastic barriers is presented. The empirical eigenmodes provided by the Karhunen-Loève expansion are then used to formulate a reduced-order model through Galerkin projection and the performance of this new model is investigated.