[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] O presente trabalho mostra uma versão do método Rayleigh-Ritz com funções especializadas para a análise de placas circulares e anulares finas e espessas sujeitas a cargas fora do plano e em plano. As funções de aproximação para deslocamentos são polinómios em direção radial combinada com funções trigonométricas na direção circunferencial. Um recurso conveniente é o uso de funções nodais lineares, que permitem a fácil consideração de cargas nodais e condições de contorno (incluindo forças seguidoras), enriquecidos por polinômios de ordem superior, sem inclusão de nós adicionais. O modelo permite a variação da espessura e é aplicado em MAPLE18, possibilitando o cálculo de deslocamentos e tensões sob carregamento constante e de variação linear, as frequências de vibração, cargas de flambagem com alguns efeitos do nível de carga conservativa e não conservativa. Os exemplos mostram a eficácia desta abordagem na análise de tal estrutura e leva um novo enfoque a este problema clássico, que apresenta comparações interessantes e originais que descrevem o efeito de deformação de cisalhamento, no caso de vibrações o efeito das rotações inerciais e variação de espessura em placas circulares e anulares, incluindo deslocamentos, momentos e forças de cisalhamento, frequências de vibração, cargas de flambagem e uma análise de cargas seguidoras tangenciais não conservativas na estabilidade, utilizando o critério dinâmico é executada. / [en] The present work shows a version of the Rayleigh-Ritz method with specialized functions for the analysis of thin and thick circular and annular plates subjected to out-of-plane and in-plane loads. The approximation functions for displacements are polynomials in the radial direction combined with trigonometric functions in the circumferential direction. A convenient feature is the use of linear nodal functions, which allows for easy consideration of nodal loads and boundary conditions (including follower forces), enriched by higher order polynomials without inclusion of additional nodes. The model allows for thickness variation and was implemented in MAPLE18, enabling the calculation of displacements and stresses under constant and linearly varying load, frequencies of vibration, buckling loads with a few commands and the effect of the level of conservative and non-conservative on load the stability. The examples show the effectiveness of this approach in the analysis of such structures and bring new light to this classical problem, presenting interesting and novel comparisons illustrating the effect of shear deformation, in case of vibrations of the inertial rotations analysis and thickness variation in circular and annular plates, including displacements, moments and shear forces, vibration frequencies, buckling loads and a stability analysis of non-conservative tangential follower loads, using the dynamic criterion is performed.

[pt] Este trabalho tem como objetivo principal estudar o comportamento de flambagem lateral de vigas através de modelos de elementos finitos baseados nas teorias de placas de Kirchhoff e de Mindlin–Reissner. Esses modelos foram combinados com efeitos de membrana, possibilitando a análise de cascas. Foi desenvolvido um código MATLAB para analisar cargas críticas estáticas e dinâmicas, modos de flambagem, frequências e modos de vibração de placas finas e espessas sujeitas a cargas conservativas e cargas não conservativas (também chamadas de seguidoras ou circulatórias). O programa ANSYS foi usado para validação e comparação. Para o cálculo das frequências naturais foram usadas as matrizes de massa e a matriz de rigidez. Para o cálculo da carga crítica estática com carga conservativa, implementa-se a matriz geométrica. Quando há carregamento seguidor não conservativo, é necessário adicionar uma matriz de correção de cargas que é uma matriz assimétrica, achando assim a carga crítica dinâmica, também denominada de flutter. Diferentes condições de contorno e diferentes carregamentos são aplicados em vigas e analisados os casos de flambagem lateral. Valores teóricos encontrados na literatura são comparados com os valores achados usando o método de elementos finitos. A instabilidade lateral de vigas esbeltas tem grande interesse prático, pois em alguns casos pode ocorrer o esgotamento da resistência da peça antes mesmo que seja atingido o estado limite último de flexão. Por isso, o tema flambagem lateral é mencionado em diversas normas nacionais e internacionais, tendo sido feitas algumas comparações com os resultados do programa implementado neste trabalho. / [en] The main objective of this paper is to present results on the lateral buckling of beams using finite elements based on Kirchhoff and Mindlin-Reissner Plate theories, merged with membrane elements in order to include the analysis of shells. A MATLAB code was developed to calculate static and dynamic critical loads, buckling modes, frequencies, and vibration modes of thin and thick plates subjected to conservative and non-conservative (also called follower or circulatory) loads. Mass and stiffness matrices are employed to determine natural frequencies. In the case of conservative loads, static critical loads are calculated by adding a so-called geometric matrix. However, in case of displacement-dependent applied forces, it is necessary to implement a matrix that will correct the loads, designated as load matrix. In the case of conservative forces, the load matrix is symmetric, and in the case of non-conservative forces, it is non-symmetric. In the latter case, the critical load usually will correspond to dynamic behavior designated as flutter. Different boundary conditions and loads are considered and several cases of lateral buckling are investigated. Theoretical values when found in the literature are compared with values determined by Finite Element Method (FEM). The lateral instability of slender beams is very important in practice, because in some situations it may occur prior to ultimate plastic limit state in bending. Therefore, lateral buckling is mentioned in a wide variety of national and international rules, and some comparisons with the results of the computer code developed herein are presented.

[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.