[pt] Sistemas rotativos atuados através de um eixo flexível apresentam um grande desafio para estratégias de controle, uma vez que o atuador não está conectado diretamente ao sistema principal, causando efeitos de propagação de ondas e acúmulos e dissipações de energia no eixo. Este trabalho apresenta um estudo sobre uma das mais notórias aplicações deste problema, sistemas de perfuração de petróleo. Habitualmente, o sistema de perfuração é composto por um motor de topo conectado à broca através de milhares de metros de tubos de aço que transmitem o toque. Diversos tipos de vibrações podem ser observadas: Axiais, de flexão e torcionais, estas últimas ligadas ao fenomeno stick-slip. Para um completo conhecimento do problema, é necessário conhecer cada uma delas. Esta tese trata especificamente das vibrações torsionais através de uma análise com dois diferentes modelos, um primeiro mais simples de fois graus de liberdade (inércia, mola torcional, amortecedor), e um segundo mais completo discretizado em 20 graus de liberdade capaz de considerar a masssa do eixo e efeitos de propagação de ondas mecânicas no eixo. Este trabalho inclui aidna a construção de uma bancada em escala reduzida para observar os fenômenos associados as vibraçoes torcionais. São apresentados ainda estudos numéricos e experimentais de técnicas de controle de minimizar os efeitos do atrito na dinâmica torcional do sistema. Duas estrututas de controle são estudadas nesta tese a fim de reduzir vibrações torcionais em colunas de perfuração. A primeira é um controle simples, de malha aberta, baseado no comportamento do sistema. A segunda é o controle adaptativo L1, que faz uso de um modelo de refeência do sistema em sua estrutura. / [en] Systems actuated trough a highly flexible shaft poses a big challenge to control strategies as the actuator is not connected directly to the end effector, causing propagation effects as well as an energy accumulation and dissipation in the shaft. This thesis focuses the study of one of the most investigated application of this type, the top driven drilling system used in the oil and gas industry. Usually, the drilling system is composed by a top drive linked to the drill bit trough hundreds or even thousands of meters of steel pipes. All kind of vibrations will be found: longitudinal deformations will be associated to the bit bouncing, flexional with rubbing, and torsional with stick-slip effects. A better understanding is only possible when each of these situations is carefully investigated. This thesis focuses on the torsional deformation of the highly flexible string and presents two different models for the drill string, the first is the most common single spring single damper model. The second one is a 20 DOF Lumped parameters that has the advantage of being able to consider the mass of the drill string and propagation of torsional waves in the shaft. The investigation includes the development of a test rig adequate for torsional vibrations under damping that may induce stick-slip in the system. Two control techniques are studied to reduce the torsional vibrations in drill strings with numerical and experimental results presented. The first is a behavior based open loop scheme control, which is very simple and effective to reduce stick-slip oscillations. The second one is the L1 adaptive control that uses a reference model on its structure.

[pt] Algumas máquinas produzem solicitações dinâmicas que são transferidas às fundações por meio de movimentos vibratórios. É necessário analisar e estudar esses movimentos vibratórios durante o projeto da fundação para evitar danos aos equipamentos, à própria fundação e às estruturas vizinhas. Este tipo de analise também é muito importante para a segurança e saúde ocupacional de pessoas que venham a frequentar tais estruturas. Por esta razão as frequências naturais de vibração são importantes para o dimensionamento dinâmico de fundações, para se evitar efeitos de ressonância e amplificação de deslocamentos. Neste trabalho, estacas embutidas em fundações elásticas de Winkler foram estudadas. As vibrações longitudinais e transversais foram investigadas. As frequências naturais foram calculadas pelo método de Rayleigh-Ritz considerando estacas como elementos de barra embutidas em fundação elástica no caso da avaliação de vibrações longitudinais, e como vigas embutidas em base elástica no caso da avaliação das vibrações transversais. Na modelagem dos elementos de barra e viga utilizaram-se para aproximações dos deslocamentos funções convencionais enriquecidas com n funções adicionais. As constantes de mola de Winkler foram determinadas por provas de carga verticais e horizontais. Os resultados das vibrações longitudinais foram comparados com medições in situ com estacas reais. Os valores reais da vibração longitudinal das estacas foram obtidos pela aplicação da técnica Fast Fourier Transform nas acelerações resultantes de ensaios de carregamentos dinâmicos, que impõem uma vibração forçada no sistema estaca-solo. / [en] Some machines create dynamic efforts that are transferred to foundations by vibratory movements. Is necessary to analyze and study these movements during foundation design in order avoid damages in equipment, in foundation and in neighbor structures. This analysis is also important to safety and health of persons. For this reason natural vibration frequencies are important to dynamic design of foundations, to avoid resonance effects and displacements amplification. In this work, piles embedded in Winkler elastic foundations were studied. The longitudinal and transversal vibrations were investigated. The natural frequencies are calculated by Rayleigh-Ritz method modelling piles as bars embedded in elastic foundations in the case of longitudinal vibration evaluation, and beams embedded in elastic foundations in the case of transversal vibration evaluation. The bars and beams elements are modeled using conventional shape function enriched with n additional functions. The Winkler spring constants were evaluated by vertical and horizontal load tests. The longitudinal vibration results were compared with in situ measurements in real piles. The longitudinal vibration real values of piles were obtained by Fast Fourier Transform in acceleration data of dynamic load tests that impose a forced vibration in soil-pile system.

[pt] As cascas cilíndricas possuem aplicações em diversas áreas da engenharia. Nas últimas décadas tem se observado o surgimento de novos materiais e suas técnicas de produção, levando a novas aplicações em estruturas de cascas. Dentre estas, as cascas sanduíche e cascas com gradação funcional têm levado, em muitas aplicações, a um melhor desempenho estrutural associado a uma redução de peso. Este trabalho tem como objetivo estudar as frequências naturais e as cargas críticas de cascas sanduíche com faces de metal e núcleo de espuma metálica e cascas com gradação funcional, onde as características da espuma metálica variam ao longo da espessura levando a uma estrutura similar à da casca sanduíche. Esses resultados são comparados com aqueles de cascas isotrópicas homogêneas. Para tanto, é utilizada a teoria linear de Donnell, que é uma das mais empregadas para análise de cascas. Primeiramente, derivam-se as equações de movimento assim como as equações de equilíbrio crítico. Utilizando as soluções analíticas para uma casca simplesmente apoiada, obtêm-se as matrizes de massa, de rigidez e de rigidez geométrica, possibilitando o cálculo das frequências naturais e cargas críticas da casca sob compressão axial e pressão lateral. Através de uma análise paramétrica, os resultados mostram a influência da geometria da casca, da variação do material ao longo da espessura, do cisalhamento no núcleo e dos termos de inércia nas cargas críticas e frequências naturais. Os resultados também ressaltam a influência do núcleo de espuma metálica no aumento da capacidade de carga e redução de peso das cascas sanduíche e com gradação funcional. / [en] Cylindrical shells are used in several areas of engineering fields. In the last decades has been observed the emergence of new materials and their production techniques, leading to new applications in shell structures. Among these, the sandwich shells and shell with functionally graded materials have led, in many applications, to a better structural performance associated to a reduction of weight. This work aims to study the natural frequencies and the critical loads of sandwich shells with metal faces and metal foam core and functionally graded shells, where the characteristics of the metallic foam vary throughout the thickness leading to a structure similar to that of the sandwich shell. These results are compared with those of homogeneous isotropic shells. For this, the linear theory of Donnell, which is one of the most used for shell analysis, is here used. First, the equations of motion as well as the critical equilibrium equations are derived. Using the analytical solutions for a simply supported shell, the mass, stiffness and geometric stiffness matrices are obtained, allowing the calculation of the natural frequencies and critical loads of the shell under axial compression and lateral pressure. Through a parametric analysis, the results show the influence of the shell geometry, material variation along the shell thickness, shear deformation of the core and the inertia terms on the critical loads and natural frequencies. The results also highlight the influence of the metallic foam core in increasing the load bearing capacity and reducing the weight of the sandwich and functionally graded shells.