[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.

[pt] A Internet das Coisas (IoT) se propõe a interligar o mundo físico e a Internet, o que abre a possibilidade de desenvolvimento de diversas aplicações, principalmente na área da saúde. Essas aplicações requerem um grande número de sensores para coletar informações continuamente, gerando grandes fluxos de dados, muitas vezes excessivos, redundantes ou sem significado para as operações do sistema. Essa geração massiva de dados de sensores desperdiça recursos computacionais para adquirir, transmitir, armazenar e processar informações, levando à perda de eficiência desses sistemas ao longo do tempo. Além disso, os dispositivos IoT são projetados para serem pequenos e portáteis, alimentados por baterias, para maior mobilidade e interferência minimizada no ambiente monitorado. No entanto, esse design também resulta em restrições de consumo de energia, tornando a vida útil da bateria um desafio significativo que precisa ser enfrentado. Além disso, esses sistemas geralmente operam em ambientes imprevisíveis, o que pode gerar alarmes redundantes e insignificantes, tornando-os ineficazes. No entanto, um sistema auto-adaptativo que identifica e prevê riscos iminentes através de um sistema de pontuação de alertas antecipados (EWS) pode lidar com esses problemas. Devido ao seu baixo custo de processamento, a referência EWS pode ser incorporada em dispositivos vestíveis e sensores, permitindo um melhor gerenciamento das taxas de amostragem, transmissões, produção de alarmes e consumo de energia. Seguindo a ideia acima, esta tese apresenta uma solução que combina um sistema EWS com um algoritmo auto-adaptativo em aplicações IoT de monitoramento de pacientes. Desta forma, promovendo uma redução na aquisição e transmissão de dados , diminuindo alarmes não acionáveis e proporcionando economia de energia para esses dispositivos. Além disso, projetamos e desenvolvemos um protótipo de hardware capaz de embarcar nossa proposta, evidenciando a sua viabilidade técnica. Além disso, usando nosso protótipo, coletamos dados reais de consumo de energia dos componentes de hardware que foram usados durante nossas simulações com dados reais de pacientes provenientes de banco de dados públicos. Nossos experimentos demonstraram grandes benefícios com essa abordagem, reduzindo em 87 por cento os dados amostrados, em 99 por cento a carga total das mensagens transmitidas do dispositivo de monitoramento, 78 por cento dos alarmes e uma economia de energia de quase 82 por cento. No entanto, a fidelidade do monitoramento do estado clínico dos pacientes apresentou um erro absoluto total médio de 6,8 por cento (mais ou menos 5,5 por cento), mas minimizado para 3,8 por cento (mais ou menos 2,8 por cento) em uma configuração com menores ganhos na redução de dados. A perda de detecção total dos alarmes dependendo da configuração de frequências e janelas de tempo analisadas ficou entre 0,5 por cento e 9,5 por cento, com exatidão do tipo de alarme entre 89 por cento e 94 por cento. Concluindo, este trabalho apresenta uma abordagem para o uso mais eficiente de recursos computacionais, de comunicação e de energia para implementar aplicativos de monitoramento de pacientes baseados em IoT. / [en] The Internet of Things (IoT) proposes to connect the physical world to the Internet, which opens up the possibility of developing various applications, especially in healthcare. These applications require a huge number of sensors to collect information continuously, generating large data flows, often excessive, redundant, or without meaning for the system s operations. This massive generation of sensor data wastes computational resources to acquire, transmit, store, and process information, leading to the loss of efficiency of these systems over time. In addition, IoT devices are designed to be small and portable, powered by batteries, for increased mobility and minimized interference with the monitored environment. However, this design also results in energy consumption restrictions, making battery lifetime a significant challenge that needs to be addressed. Furthermore, these systems often operate in unpredictable environments, which can generate redundant and negligible alarms, rendering them ineffective. However, a self-adaptive system that identifies and predicts imminent risks using early-warning scores (EWS) can cope with these issues. Due to its low processing cost, EWS guidelines can be embedded in wearable and sensor devices, allowing better management of sampling rates, transmissions, alarm production, and energy consumption. Following the aforementioned idea, this thesis presents a solution combining EWS with a self-adaptive algorithm for IoT patient monitoring applications. Thus, promoting a reduction in data acquisition and transmission, decreasing non-actionable alarms, and providing energy savings for these devices. In addition, we designed and developed a hardware prototype capable of embedding our proposal, which attested to its technical feasibility. Moreover, using our wearable prototype, we collected the energy consumption data of hardware components and used them during our simulations with real patient data from public datasets. Our experiments demonstrated great benefits of our approach, reducing by 87 percent the sampled data, 99 percent the total payload of the transmitted messages from the monitoring device, 78 percent of the alarms, and an energy saving of almost 82 percent. However, the fidelity of monitoring the clinical status of patients showed a mean total absolute error of 6.8 percent (plus-minus 5.5 percent) but minimized to 3.8 percent (plus-minus 2.8 percent) in a configuration with lower data reduction gains. The total loss of alarm detection depends on the configuration of frequencies and time windows, remaining between 0.5 percent and 9.5 percent, with an accuracy of the type of alarm between 89 percent and 94 percent. In conclusion, this work presents an approach for more efficient use of computational, communication, and energy resources to implement IoT-based patient monitoring applications.

[pt] As jazidas mundiais de minérios de ferro tendem ao empobrecimento dos teores de ferro, aumento das gangas (sílica, alumina, fósforo, etc.) e maiores ocorrências de minérios hidratados. Esta mudança vem gerando um esforço no sentido de aprimorar as técnicas de extração e beneficiamento. O fósforo é um contaminante que em certos teores provoca a fragilização dos aços, sendo, portanto, restritivo ao aproveitamento de importantes jazidas minerais, principalmente as ricas em minérios de origens intempéricas ou supergênicas. Vários trabalhos foram e estão sendo conduzidos visando desenvolver tecnologias capazes de reduzir o teor de P durante o processo de beneficiamento. Porém, até o momento não têm mostrado viabilidade econômica, face à escala de produção e a efeitos danosos ao ambiente. No caso da Samarco, os minérios foram gerados principalmente por processos de enriquecimento supergênico, nos quais é comum a presença de considerável goethita, que é apontada como principal mineral portador do fósforo. O objetivo deste trabalho foi, de forma original, a formulação de uma pelota para redução direta de forma que o fósforo se encontrasse fluxado em fases escorificadas. Essas fases, produzidas através de um adequado ciclo térmico de endurecimento e com composição química otimizada, resultaria em pelotas onde este elemento se mantivesse estável, tanto na produção do DRI quanto na fusão e refino oxidante deste no FEA. Para tanto foram realizados, além de uma ampla revisão bibliográfica, concebido um procedimento analítico original para quantificação apenas do fósforo liberado; planejado experimentos para: a avaliação cinética da migração deste fósforo em pellet feed, nas pelotas e no DRI quando submetido a diferentes aportes térmicos e auto-fluxagens; analise da influência das variáveis do processo de endurecimento sobre a liberação do fósforo e sua escorificação; e comprovação da estabilidade das fases escorificadas durante a redução, em escala de laboratório, e durante a fusão e refino conduzido em um FEA semi-industrial. Os resultados obtidos mostraram ser viável a produção de pelotas para redução direta com o fósforo auto-fluxado em fases estáveis. / [en] Actually the iron ore deposits in the world have the tendency to decrease the iron content, increasing the gangue (silica, alumina, phosphorus, etc.) and to further occurrence of hydrated ores. This change demands improvements in concentration processing techniques for feasible mining operations. The phosphorus is a contaminant that, in some contents, causes the embrittlement of steels, been, wherefore, a limitative to the use of important ore deposits, mostly regarding the weathered iron ores or supergene origins. Several studies were and have been conducted aiming to develop technologies capable of decreasing the P content during the beneficiation process. However, until now, the economic viability of such studies has not been feasible, considering the production scale and the harmful effects to the environment. In Samarco’s case, the mine geological formation is mostly supergene, which is responsible for the presence of the goethite ores, pointed as the main phosphorus carrier. The main point of this work was, with an innovating approach, formulate a new type of pellet addressed to direct reduction processes in a manner that the P could be fluxed into the slag phases. These phases, produced through an adequate thermal cycle of induration and with an optimized chemical composition, resulted in pellets with stable slags containing, as well as in the produced DRI and in the melted bath generated during the primary refining performed in the EAF. For this purpose, it was done, further to a wide bibliographic review, an original analytical procedure to quantify the released phosphorus and a series of planned experiments, such as: the kinetic evaluation of the phosphorus migration from the mineral phases of the pellet feed when subjected to different thermal treatments; analysis of the induration process variables which could affect the phosphorus release and its fluxing into the slag ; Finally, the stability of the fluxing phases during the reduction in a laboratory scale and the melting and refining process in a semi-industrial EAF, were performed. The obtained results showed the feasibility of this new approach produce DR pellets with self-fluxed phosphorus trapped in stable phases.

[pt] A indústria offshore vive atualmente a quarta revolução industrial que traz novos desafios para a cadeia de suprimentos e exige a implementação de paradigmas clássicos como a filosofia Lean, a fim de aumentar a eficiência e aprimorar processos, obtendo vantagens competitivas sustentáveis que são requisitos base para a transformação digital. Entretanto, ainda é limitada a aplicação do Lean no setor de transporte rodoviário e há escassez de estudos práticos sobre como o Lean Transportation (LT) pode apoiar a melhoria das operações offshore. Dessa forma, objetiva-se aplicar técnicas do LT para reduzir desperdícios no processo de transporte dedicado destinados à cadeia de suprimentos offshore de uma empresa de grande porte do setor de óleo e gás. Para isso utilizou-se uma pesquisa-ação com abordagem multimétodo por meio de scoping review, grupos focais e observação participante e aplicação de ferramentas Lean como o Value Stream Mapping (VSM) para identificar desperdícios presentes no processo e possibilidades de melhoria competitiva para a área interna de logística da empresa em análise, permitindo uma logística de transporte planejada com nível de serviço adequado às necessidades do cliente. Como produto, observou-se a redução de desperdícios principalmente nas etapas de espera de carregamento e descarregamento em transporte rodoviário dedicado por meio de um caso de intervenção real, resultando na implementação de ações de controle, automatização e aprimoramento das atividades com redução expressiva do tempo de inatividade do processo, ganho monetário de 6.300.000,00 reais por ano para a operação e produtos como questionário de benchmarking, protocolo de pesquisa-ação e ciclo PDCA que podem ser aplicados em outras empresas do mesmo segmento. Também foram identificados, qualitativamente, desperdícios associados a esforço humano e recursos digitais mal-empregados ou não implementados. / [en] The offshore industry is currently experiencing the fourth industrial revolution that brings new challenges to the supply chain and requires the implementation of classical paradigms such as Lean philosophy in order to increase efficiency and improve processes, obtaining sustainable competitive advantages that are basic requirements for digital transformation. However, the application of Lean in the trucking industry is still limited and there is a dearth of practical studies on how Lean Transportation (LT) can support the improvement of offshore operations. Thus, the objective is to apply LT techniques to reduce waste in the dedicated transportation process for the offshore supply chain of a large oil and gas company. To do so, it was used action research with a multi-method approach through scoping review, focus groups and participant observation and application of Lean tools such as Value Stream Mapping (VSM) to identify waste present in the process and possibilities of competitive improvement for the internal logistics area of the company under analysis, allowing a planned transport logistics with a level of service appropriate to customer needs. As a result, there was a reduction in waste mainly in the waiting stages of loading and unloading in dedicated road transport through a real intervention case, resulting in the implementation of control actions, automation and improvement of activities with a significant reduction in downtime of the process, monetary gain of BRL 6,300,000.00 per year for the operation and products such as a benchmarking questionnaire, action research protocol and PDCA cycle that can be applied to other companies in the same segment. We also identified, qualitatively, waste associated with human effort and digital resources misused or not implemented.

[pt] As mudanças climáticas têm sido consideradas por grande parte da comunidade científica como o problema ambiental mais grave já enfrentado pela humanidade. Os estudos conduzidos, ainda que com incertezas, indicam uma forte relação entre as ações antrópicas, o aquecimento global e a consequente alteração climática. Verões mais quentes, invernos mais rigorosos, secas, enchentes, tornados, desertificação, escassez de água, alimentos, perda da biodiversidade são alguns exemplos dos impactos causados por este desequilíbrio. A mitigação ou controle de um problema desta magnitude merece, sem dúvida, atenção dos governos e de empresas responsáveis por grandes emissões de gases de efeito estufa, considerados como responsáveis pela alteração no clima. Entretanto, outros setores também podem e devem contribuir para o alcance das metas globais estabelecidas nos acordos internacionais. O presente trabalho apresenta o resultado de um inventário de emissões de gases de efeito estufa elaborado para o Campus Gávea da PUC-Rio, utilizando-se da metodologia validada pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), como ponto de partida para uma proposta de gerenciamento e mitigação das emissões diretas e indiretas do Campus. O estudo ainda indica ações para melhorar a qualidade de inventários futuros e medidas para a redução das emissões. / [en] Climate change has been considered by the scientific community as the most serious environmental problem ever faced by humanity. The studies performed, even with uncertainties, indicate a strong relationship between human actions, global warming and consequent climate change. Hotter summers, colder winters, severe droughts and floods, tornadoes, desertification, water and food scarcity and biodiversity loss are some examples of the impacts caused by this imbalance. The mitigation or control of a problem with this magnitude deserves undoubtedly attention of governments and companies responsible for the large emissions of greenhouse gases, considered as responsible for the climate change. However, other sectors can and should contribute to the achievement of the global targets set by international agreements. Regarding the uncertainties and expectations on climate change, in 1988 the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), consisted of scientists from around the world, was created to provide information related to the causes of climate change, its consequences and possible actions to reduce the impact on the earth. IPCC reports are published regularly and become a reference for the formulation of public policies and for use by experts and students. The IPCC in its 4th Assessment Report, indicates a 70 percent increase in anthropogenic emissions of greenhouse gases in the period 1970-2004, where the carbon dioxide (CO2) is the largest contributor. For the same period, CO2 annual emissions increased 80 percent and represented 77 percent of total anthropogenic emissions in 2004. This increase is mainly due to the consumption of fossil fuels and changes in land use. Once established the relationship between greenhouse gases and global warming, it became evident the need for measurement and quantification of emissions for achieving any progress in the management of the problem. For that, a common, standardized, transparent and reliable methodology was desired. Developed in the United States by the World Resource Institute (WRI) in 2001, the GHG Protocol seeks to understand, quantify and manage GHG emissions of companies and nowadays is the most frequently method used worldwide for performing GHG inventories. It is also compatible with standard ISO 14064: 2007 - Greenhouse Gases and the methodologies for quantification issued by the Intergovernmental Panel on Climate Change.

[pt] O presente trabalho visa dar complemento à ferramenta gráfica interativa previamente criada com a finalidade de modelar e dimensionar vigas e pilares em concreto armado, inserindo no dimensionamento a não linearidade física. A ferramenta existente tem como base o programa FTOOL, que de maneira didática permite modelar e realiza análise estrutural em duas dimensões, resultando em deslocamentos, reações e esforços internos. Com base nos esforços e dados iniciais da estrutura tais como materiais, seções e cobrimento, a nova ferramenta altera a rigidez das seções para que se considere os efeitos de fissuração e fluência do concreto, além da relação não linear entre tensão e deformação. É necessário inserir uma análise da rigidez das seções, que após a fissuração da peça, na transição do Estádio I para o Estádio II, têm sua rigidez reduzida, cálculo este feito pela rigidez secante obtida pelos diagramas momento-curvatura. Desta forma, é necessário reavaliar a rigidez das diversas seções de maneira iterativa, fazendo-se a redistribuição de esforços de acordo com a variação das rijezas nas seções dos elementos estruturais. Propõe-se a comparação entre a recomendação da NBR 6118:2014, item 15.7.3, para consideração aproximada da não linearidade física e a rigidez secante obtida pelas relações momento-curvatura, tanto para os pilares como para as vigas. Para isso são estudados três exemplos de estruturas onde compara-se os resultados obtidos para os esforços internos, armadura e deslocamento. / [en] The present work aims to complement the graphic-interactive tool previously created for modeling and designing reinforced concrete beams and columns, introducing the material nonlinearity in the design. The existant tool is based on the FTOOL program, which didactically allows to model and performs structural analysis in two dimensions, resulting in deflections, reactions ans internal forces. Based on the forces and initial data of the structure such as materials, cross sections and concrete covering, the new tool changes the cross sections stiffnesses to consider the effects of concrete cracking and creep, besides the nonlinear relationships between tensions and deformations. It is necessary to introduce an analysis of the section stiffnesses, which after cracking, in the transition between stages I and II, presents a reduction in its stiffiness, that is evaluated by the secant stiffness from the moment-curvature diagrams. Thus, it is necessary to reevaluate the stiffness of the several sections iteratively, performing the redistribuition of the forces according to the vaiation of stiffness on the structural elements. It is proposed the comparison between the recommendation of NBR 6118 (ABNT, 2014), in its topic 15.7.3, for the approximate consideration of material nonlinearity and the secant stiffness obtained by the moment-curvature relationships, both for columns and beams. So three examples of structures are studied, in which the results obtained for internal forces, reinforcement and displacement are compared.