[pt] Um dos resultados fundamentais na mecânica clássica é que, para sistemas lineares com n graus de liberdade, existem n modos de vibração ortogonais e que as freqüências naturais são independentes da amplitude de vibração. Além disso, qualquer movimento da estrutura pode ser obtido como uma combinação linear desses modos. No caso de sistemas não-lineares, isto não mais se verifica e a relação entre freqüência, amplitude e os modos de vibração precisa ser determinada. A obtenção dessas informações para estruturas se dá em geral pelo uso de programas de análise não-linear baseados em uma formulação em elementos finitos. Contudo, isto é um procedimento custoso computacionalmente. Uma abordagem mais viável é o uso de modelos discretos compatíveis de baixa dimensão, por meio dos quais as freqüências e os modos não- lineares são obtidos. Neste trabalho é proposto um procedimento para a derivação de modelos de redução de dimensão para vigas e pórticos planos esbeltos. As equações diferenciais de movimento são obtidas a partir da aplicação das técnicas variacionais a um funcional não-linear de energia. A obtenção do modelo se dá através do emprego dos métodos de Ritz ou Galerkin para a redução espacial e do balanço harmônico para redução no tempo. Os modos lineares são utilizados como uma primeira aproximação para os modos não-lineares. As relações freqüência-amplitude são satisfatoriamente obtidas para vibrações livre e forçada (não-amortecida e amortecida). Entretanto, essas curvas apresentam, em geral, no regime não-linear, pontos limites, sendo obtidas, portanto, com uso do método do controle de comprimento de arco. Uma correção para o modo- linear é obtida com uso dos métodos dos elementos finitos e da perturbação. Um estudo paramétrico e das condições de contorno é apresentado para vigas. O comportamento não-linear de pórticos em L é também analisado. Para esses pórticos é estudada a influência de cargas axiais e da geometria. Os resultados são comparados com soluções analíticas encontradas na literatura. / [en] One of the fundamental results in classical mechanics is that linear systems with n degrees of freedom have n orthogonal vibration modes and n natural frequencies which are independent of the vibration amplitude. Any motion of the system can be obtained as a linear combination of these modes. This does not hold for nonlinear systems in which case amplitude dependent vibrations modes and frequencies must be obtained. One way of obtaining these informations for arbitrary structures is to use a nonlinear finite element software. However, this is a cumbersome and time consuming procedure. A better approach is to derive a consistent low dimensional model from which the nonlinear frequencies and mode shapes can be derived. In this work a procedure for the derivation of low dimensional models for slender beams and portal frames is proposed. The differential equations of motion are derived from the application of variational techniques to a nonlinear energy functional. The linear vibration modes are used as a first approximation for the nonlinear modes. The Galerkin and Ritz methods are used in the model for the spatial reduction and the harmonic balance method for the reduction in time domain. This allows the analysis of the free and forced (damped or undamped) vibrations of the structure in non- linear regime. However nonlinear resonance curves usually presents limit points. To obtain these curves, a methodology for the solution of non-linear equations based on an arc-length procedure is derived. Based on the finite element methods and using the basic ideas of the perturbation theory, a correction for the nonlinear vibration modes is derived. The influence of boundary conditions, geometric, and force parameters on the beam response is analyzed. The behavior of L frames is studied. For this kind of frame, the influence of axial loading and geometric parameters on the response is studied. The results are compared with analytical solutions found in the literature.

[pt] Um estudo experimental em modelos reduzidos do duto PE-3, construído na Baía de Guanabara em 2003, é descrito neste trabalho. O duto PE-3 tem diâmetro externo de 457,2 mm e a sua principal característica é a sua geometria em ziguezague. Este duto transporta óleo combustível à temperatura de 80ºC da Refinaria de Duque de Caxias aos terminais de navios na Ilha D´Água. O presente estudo foi realizado em modelos reduzidos com semelhança física, e teve como objetivo avaliar experimentalmente o comportamento do modelo variando-se o ângulo de ziguezague e o comprimento do duto. Os modelos foram submetidos à variação de temperatura, pressão interna e condições de apoio lateral e longitudinal, simulando as condições reais de trabalho do protótipo. Para cada comprimento (12, 16 e 18 metros) e ângulo de ziguezague (5º, 10º e 15º) foram realizados ensaios com o modelo sem reação lateral do solo, com reação lateral simulando 1 metro de enterramento no protótipo, com reação lateral simulando 1 metro de enterramento e vão central livre, e com imperfeição horizontal. Foram realizados ainda 2 ensaios com um duto reto para efeito de comparação com o modelo zig-zag. Os resultados mostraram que a geometria em ziguezague minimiza os esforços gerados pela expansão térmica do duto. / [en] An experimental study on reduced scale models of the PE-3 pipeline, built in Guanabara Bay in 2003, is described in this work. The main characteristic of the PE-3 pipeline is the zig-zag geometry. This pipeline has an external diameter of 18 and is used to transport heavy heated oil from the Duque de Caxias refinary to a shipping terminal. The present study was carried out in reduced models with physic similitude, and the objective is to evaluate experimentally the behavior of the model, varying the zig-zag angle and the length of the pipeline. The models were submitted to temperature variation, internal pressure and different conditions of lateral and longitudinal support, simulating the real working conditions of the prototype. For each length (12m, 16m and 18m) and zig-zag angle (5°, 10° and 15°) tests were carried out with the model without lateral reaction of the soil, with lateral reaction simulating 1 meter of buried prototype, with lateral reaction simulating 1 meter of buried prototype and central free span, and with horizontal imperfection. Two straight pipeline tests were carried out in order to compare with the zig-zag model. The results showed that the zig-zag geometry minimizes the effects caused by the thermal expansion of the pipeline.

[pt] O uso de materiais sustentáveis e os resultados das pesquisas sobre energias renováveis têm sido aplicados nas obras civis que buscam estar à vanguarda no fornecimento de sistemas construtivos novos, leves, resistentes e de baixo custo. Dentre estes materiais, o bambu é uma solução que apresenta características químicas, físicas e mecânicas compatíveis e em muitos aspectos superiores em comparação com os materiais industrializados. Pesquisas desenvolvidas no Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, desde 1979, fornecem dados de caracterização do bambu como material de construção, porém estudos mais aprofundados sobre seu desempenho estrutural se fazem necessários. Neste trabalho procura-se avaliar o comportamento de uma estrutura de pórtico plano em modelo reduzido sob carregamento estático e dinâmico. Os resultados se comparam com os de um modelo reduzido em aço. O bambu ensaiado é da espécie Phyllostachys aurea, que foi estudado na PUC–Rio anteriormente. Os dados coletados em relação às propriedades físicas, mecânicas e dinâmicas se verificam usando as normas ISO-22157-1 e ISO/TR 22157-2 que existem para estabelecer as propriedades físicas e mecânicas sujeitas à carga estática. Nos pórticos de modelos reduzidos é aplicada as cargas estáticas vertical e lateral para avaliar a resposta no regime elástico e plástico, e assim, comparar ao comportamento dos materiais segundo suas propriedades, como à deformação permanente e o comportamento rígido-plástico. Na análise dinâmica, realizam-se ensaios de vibração livre aplicando deslocamento inicial, para identificar os parâmetros modais estruturais que correspondem aos valores de amortecimento coeficiente de amortecimento (igual) 1,5 por cento e coeficiente de amortecimento (igual) 2,3 por cento e frequência natural de 13 Hz e 35 Hz, em segmentos de bambu e nos modelos de pórtico respectivamente. / [en] The use of green and ecological materials in addition to the renewable energy in civil engineering are leading provider of new building systems, lightweight, durable and inexpensive are reality at the present time. Among these materials, bamboo is a solution that has some chemical, physical and mechanical properties compatible and in many cases even superior in comparison with industrialized materials. Studies carried out in the Department of Civil Engineering of PUC-Rio, since 1979, generated technical data concerning the chemical, physical and mechanical characterization of bamboo as a building material. Further studies on its structural performance in different forms and geometry are needed for establishing the method of calculation of bamboo structures. This study presents the results of an investigation for the evaluation of the behavior of a plane frame structure subjected to lateral and vertical static and only lateral dynamic loading. This work is the first investigation on the dynamic behavior of the bamboo frame, in the available technical literature. To achieve this objective and to compare the obtained results with those of a steel model, bamboo plane frame of the same scale using the species Phyllostachys aurea, was prepared. The physical and mechanical properties of the bamboo were established using ISO-22157-1, ISO/TR22157-2 recommendations for static load. In the plane frame models a static load is applied to evaluate the response in the elastic and plastic regime. In turn the obtained data are compared with those of steel plane frame. In dynamic analysis, free vibration tests were performed in bamboo segments and plane models frame applying initial displacement. The values of damping damping coefficient (equal) 1,5 percent and damping coefficient (equal) 2,3 percent and the natural frequencies of 13 Hz and 35 Hz for the segment and the bamboo portal frame models respectively were obtained.

[pt] O desenvolvimento de modelos computacionais para simulação de escoamentos reativos operando em regime de turbulencia requer a soluçao das equações diferenciais parciais que representam os balanços de massa, quantidade de movimento linear, espécies químicas e energia. Além disso, as reações químicas do modelo necessitam de um mecanismo cinético detalhado para descrição dos fenomenos físico-químicos associados. Um dos maiores desafios encontrados é a rigidez da simulação numérica desses modelos e a natureza não linear do termo de produção das espécies químicas. Esta dissertação apresenta uma revisão das principais técnicas disponíveis na literatura para o desenvolvimento de modelos reduzidos de cinética química, em particular para a combustão, bem como de técnicas para solução eficiente dos modelos de escoamentos reativos. Após uma apresentação da formulação matemática associada, a metodologia denominada tabulação adaptativa in situ (ISAT) é implementada e avaliada quanto a sua acurácia, eficiencia e uso de memória na simulação de alguns modelos de reator homogeneo agitado. Avalia-se a combustão de misturas de monóxido de carbono/oxigenio e metano/ar cujos mecanismos cinéticos tem 4 e 53 espécies, 3 and 325 reações respectivamente. Os resultados destassimulações indicam que a presente implementação da técnica ISAT tem erro relativo global inferior a 1%. Além disso, a técnica ISAT propiciou ganhos, em termos de tempo computacional, de at´e 80% quando comparado a simulação direta da cinética detalhada. Entretanto, em termos de utilização da memória, a implementação desenvolvida da técnica ISAT se mostrou excessivamente exigente. / [en] The development of computational models for the numerical simulation of chemically reacting flows operating in the turbulent regime requires the solution of partial differential equations that represent the balance of mass, linear momentum, chemical species and energy. Moreover, the chemical reactions of the model may require a detailed reaction mechanism for the description of the physicochemical phenomena involved. One of the biggest challenges is the stiffness of the numerical simulation of these models and the nonlinear nature of species rate of reaction. This dissertation presents an overview of the main techniques available in the literature for the development of reduced models of chemical kinetics, particularly for the combustion, as well as the techniques for efficient computation of the chemically reacting flows models. After a presentation of the associated mathematical formulation, the methodology dubbed in situ adaptive tabulation (ISAT) is implemented and its accuracy, efficiency and memory usage are evaluated in the simulation of homogeneous stirred reactor models. The combustion of carbon monoxide with oxygen and methane with air mixtures is considered, which detailed reaction mechanisms involve 4 and 53 species, 3 and 325 reactions respectively. The results of these simulations indicate that the development implementation of the ISAT technique has a absolute global error of less than 1%. Moreover, the ISAT technique provided gains, in terms of computational time, of up to 80% when compared to the direct integration of the full chemical kinetics. However, in terms of memory usage the present implementation of ISAT technique was found to be excessively demanding.