Este trabalho é uma contribuição para o estudo de modelos de representação da não linearidade física de estruturas de concreto. Nele estudou-se o Modelo de Campo Distorcido de Tensões, ou Disturbed Stress Field Model - DSFM, através da implementação no programa MATLAB®. O programa desenvolvido implementa também o Modified Compression Field Theory - MCFT, que é a base para o DSFM. Neste trabalho também foi utilizado o programa VecTor2 desenvolvido na Universidade de Toronto. Neste documento é apresentada a base teórica das formulações estudadas, o programa desenvolvido é descrito brevemente e são apresentados resultados obtidos. / This research consists on the study of nonlinear behavioral models for reinforced concrete. The main focus of this study is the Disturbed Stress Field Model - DSFM. In order to study this model, it was implemented in the MATLAB® platform. The basis for the DSFM is the Modified Compression Field Theory MCFT, this model was also implemented using MATLAB®. The VecTor2 program developed at the University of Toronto was also used. This document presents the formulation for these analytical models, a description of the developed tools and the results obtained through them.

Nesta tese, apresenta-se o método dos elementos finitos posicional descrito em um referencial Lagrangiano total dedicado à análise de instabilidade de estruturas tridimensionais. Três tipos de elementos finitos são implementados e testados, a saber: os elementos de barra simples, casca e barra geral. A análise de instabilidade para o elemento de barra simples é efetuada determinando-se os pontos críticos ao longo da trajetória de equilíbrio em grandes deslocamentos. Para se determinar essas trajetórias são utilizados os algoritmos de Newton-Raphson e arc-length. Este tipo de análise é particularmente importante na definição de estruturas multi-estáveis de uso crescente na indústria mecânica e aeroespacial. Para o estudo da instabilidade empregando-se os elementos finitos de casca e barra geral realizam-se as análises para pequenos níveis de carga e deslocamentos por meio do cálculo dos autovalores e autovetores da matriz de rigidez da estrutura. Avaliam-se também as trajetórias de equilíbrio em grandes deslocamentos considerando-se pequenas imperfeições na geometria dos elementos estruturais. Quando os elementos de casca são utilizados na modelagem de perfis estruturais esbeltos surgem naturalmente modos de falha locais associados à mudança de forma da seção transversal. Com a finalidade de inserir essas mobilidades no elemento de barra geral propõem-se uma metodologia que considera os aprimoramentos na cinemática da barra. Esses aprimoramentos são tratados como parâmetros nodais generalizados e estão associadas a intensidade da mudança de forma de seção transversal, incluindo os modos de empenamento. Descreve-se originalmente uma metodologia de decomposição da matriz Hessiana usada para o cálculo dos valores e vetores próprios em pequenos deslocamentos. Essa metodologia possui importância adicional pois é utilizada na preparação e avaliação do parâmetro de carga em cinemáticas alternativas da formulação posicional. Utiliza-se o algoritmo de Lanczos na determinação das cargas e modos de falha realizando-se chamadas a biblioteca ARPACK. Os algoritmos são testados em exemplos modelados com os elementos finitos propostos. Próximo aos pontos críticos realiza-se a separação da matriz Hessiana procurando-se possíveis modos de colapso da estrutura. Além dos modos de falha globais é possível se identificar os modos de falha locais e distorcionais. O equilíbrio do sistema mecânico é garantido pelo princípio da estacionariedade da energia potencial total. Nas análises com os elementos de casca e barra geral, a solução do sistema não-linear é obtida empregando-se o método incremental iterativo de Newton-Raphson. Os aprimoramentos sugeridos nesta pesquisa são acoplados ao código computacional utilizado pelo grupo de mecânica computacional do departamento de engenharia de estruturas, onde diversas funcionalidades estão disponíveis, como análise dinâmica e não-linearidade material. Exemplos selecionados são apresentados ao longo da tese para demonstrar a eficiência dos elementos propostos e a aplicabilidade da técnica. Por fim, são realizadas comparações com estratégia de solução já consagradas, como por exemplo: o método das faixas finitas e a teoria generalizadas de vigas. Os resultados obtidos justificam as contribuições originais da presente pesquisa destacando-se a contribuição da formulação posicional ao estudo da instabilidade das estruturas. / This thesis presents the positional finite element method in a total Lagrangian framework dedicated to instability analysis of the three-dimensional structures. Three types of finite elements are implemented and tested, namely: truss, shells and frames. The instability analysis for truss element is computed using equilibrium path in large displacements. The critical points are computed using Newton-Raphson and arc-length algorithm. This analysis is particularly important in the definition of multi-stable and large displacements structures widely used in mechanical and aerospace industry. For shell and frame geometrically non-linear finite elements, the instability phenomenon is studied from the eigenvalues and eigenvectors analysis for small levels of loads and displacements. It is also evaluate the equilibrium trajectories for large displacements, considering small imperfections in the geometry of the structure. When using the shell elements to model the frames structures local failure modes associated with changing of the cross section shape arise. In order to consider the mobility in frame element new improvements are propose in the kinematic. These improvements are treated as generalized nodal parameters and are associated with the intensity of the cross-sectional change, including warping. The originally methodology of decomposition of the Hessian matrix are described and used for calculating eigenvalues and eigenvectors of the stiffness matrix. This methodology has additional importance because it is used in the preparation and evaluation of load parameter in kinematic alternatives of the positional formulation. The Lanczos algorithm is used to determining the loads and failure modes, through calls to ARPACK library for calculating eigenvalues and eigenvectors. The algorithms are tested on the examples modeled by proposed finite elements. Near the critical point takes place the separation of the Hessian matrix for possible identification of the failure modes. In addition to global failure methods, local and distortion failure are captured by this methodology. The balance of the mechanical system is guaranteed by the stationarity of the total potential energy principle. In the analysis using shells and frames elements the solution of the nonlinear system is calculated using the iterative incremental Newton-Raphson method. The improvements suggested in this research are coupled to the computer code used by computational mechanics group of the structures engineering department, where several features are available like dynamic and plasticity analysis. Selected examples are presented throughout the thesis to demonstrate the efficiency of the proposed elements and applicability of the technique. Finally, comparisons are carried out with already established solving strategy such as the finite strip methods and the generalized beam theory. The results justified the original contributions of this research to study of unstable structures.

Este trabalho apresenta um estudo geral sobre o dimensionamento e verificação de pilares esbeltos de concreto armado solicitados por flexão composta oblíqua, levando-se em consideração as não-linearidades física (o material não segue a lei de Hooke) e geométrica (análise em 2ª ordem). É abordado também o dimensionamento de seções isoladas no Estado Limite Último de ruptura. É admitida seção transversal de forma poligonal qualquer, assim como disposição da armadura também arbitrária. O efeito de carregamento de longa duração (fluência) é levado em consideração. A relação tensão-deformação do concreto é geral, admitida como uma seqüência de polinômios de graus arbitrários. Vários algoritmos detalhados e rotinas computacionais são apresentados. / This work presents a general study on the design and veriflcation of slender reinforced concrete columns, subjected to axial force and biaxial bending, considering material and geometric non-linearities (material doesn\'t fit Hooke law and second order analysis). It is also treated the design of cross sections in the ultimate strength. It is considered a general poligonal cross section, with any reinforcement distribuition. The creep effect is also taken into account. The concrete stress-strain curve is anyone since it can be represented as a sequence of any degree polinomiuns. Detailed calculation and computational routines are given too.

Neste trabalho são discutidos os aspectos referentes à análise não-linear física de painéis de contraventamento em alvenaria estrutural. O objetivo foi a obtenção de coeficientes a serem aplicados ao produto de rigidez à flexão (EI) para a consideração da não-linearidade física de forma simplificada. As estruturas foram analisadas de forma paramétrica através de um modelo de elementos finitos lineares (pórtico plano), com a utilização de duas diferentes taxas de armaduras para uma combinação de ação horizontal e vertical aplicada. A ação horizontal limitou o deslocamento do topo do painel em H/3500, nas análises lineares. A ação vertical simulou a reação de uma laje com peso próprio e sobrecargas de utilização. A alvenaria foi considerada como um meio contínuo e homogêneo (macro-modelos). Foi apresentada uma metodologia para a obtenção do coeficiente de rigidez à flexão para ser aplicado nas análises lineares e simular o efeito da não-linearidade física. Os valores do coeficiente de redução do produto de rigidez à flexão apresentaram-se muito baixos, com uma variação de 0,1 a 0,4, sugerindo a verificação do modelo matemático bem como do programa utilizado nas análises. / This study deals with aspects related to the nonlinear analysis of physical shear walls in masonry. The objective was to obtain coefficients to be applied to the product of bendind stiffness (EI) for considering physically nonlinear behavior in a simplified analysis. The structures were analyzed usig a parametric finit element model using linear elements (plane frame), with two different reinforcement ratios for one combination of horizontal and vertical actions. The horizontal action limited de top displacement of the shear wall in H/3500. The vertical loads simulated the reaction of a slab with self-weight and burdens of use. The masonry was considered as a means continuous and homogeneous (Macro-models). Was presented a methodology for obtaining the coefficient of bending stiffness to be applied in linear analysis and simulate the effect of non-linearity. The coefficient of reduction product of bending stiffness were very low, with a variation of 0.1 to 0.4, suggesting the verification of mathematical model and the program used in the analysis.

Pilares de edifícios estão sempre submetidos à flexão composta oblíqua. Este trabalho tem como objetivo comparar, em seções transversais com formato geométrico de L, os resultados obtidos por dois métodos de cálculo: a) Integração numérica na qual, para cada direção principal, são utilizadas curvaturas reais obtidas de diagramas momentocurvatura de cada seção, sendo os efeitos de segunda ordem calculados considerando a flexão composta oblíqua; b) Integração numérica na qual, para cada direção principal é utilizada uma rigidez secante, obtida a partir dos momentos resistentes do ELU, sendo os efeitos de segunda ordem calculados ignorando-se a direção ortogonal. 2.248 seções transversais foram analisadas. Cada uma foi solicitada de 192 maneiras diferentes. A conclusão é de que o procedimento descrito no item b pode ser utilizado com segurança, desde que se utilize uma rigidez secante reduzida em 10%. / The columns of buildings are always subject to oblique bending. This study compares, in geometric L shaped cross sections, the results obtained using two calculation methods: a) Numerical integration in which, for each principal direction, the actual curvatures obtained from moment-curvature relationships of each section are used, calculating the second-order effects considering the oblique bending; b) Numerical integration in which, for each principal direction, a secant stiffness is used, obtained from the moments resistances of ULS, calculating the second-order effects ignoring the orthogonal direction. 2.248 cross sections were analyzed. Each one was solicited in 192 different ways. The conclusion is that the procedure described in item b can be safely used, provided a secant stiffness reduced to 10% is used.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação da Prof.ª Doutora Lúcia Simas Dinis

Submitted by Stéfany Moreira (stemellra@yahoo.com.br) on 2013-02-28T16:02:54Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_EstudoNuméricoComportamento.pdf: 27938888 bytes, checksum: 5b2329c94a69e16145d8d44fcca64390 (MD5) / Approved for entry into archive by Neide Nativa (neide@sisbin.ufop.br) on 2013-03-01T17:37:47Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_EstudoNuméricoComportamento.pdf: 27938888 bytes, checksum: 5b2329c94a69e16145d8d44fcca64390 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-03-01T17:37:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO_EstudoNuméricoComportamento.pdf: 27938888 bytes, checksum: 5b2329c94a69e16145d8d44fcca64390 (MD5) Previous issue date: 2011 / O objetivo desta dissertação consiste na aplicação do método dos elementos finitos (MEF), através da utilização do programa computacional ANLOG (Análise Não Linear de Obras Geotécnicas), para análise do comportamento mecânico, sob condição de equilíbrio estático e deformação plana, de pilhas de estéril de mineração, realçando os aspectos relacionados à geometria, às condições de contorno, às propriedades constitutivas (tanto do material da pilha quanto do terreno de fundação) e ao processo construtivo. Este trabalho visa contribuir para o maior entendimento do comportamento mecânico das pilhas de estéril (aterros) de modo a colaborar para a elaboração de projetos mais seguros e viáveis. Para representação do comportamento constitutivo foram adotados os modelos: linear-elástico e elástico perfeitamente plástico adotando o critério de Mohr-Coulomb modificado. No que diz respeito à simulação do processo construtivo adota-se a técnica de “ligar a gravidade” juntamente com o procedimento da malha dinâmica. Algumas análises preliminares são apresentadas com o objetivo de verificar a utilização do programa computacional ANLOG na análise tensão- deformação deste tipo de obra geotécnica. Neste caso, optou-se por apresentar situações as quais possuíam solução analítica e/ou numérica conhecida e disponível na literatura. Em seguida, considerando as normas reguladoras de mineração no que diz respeito à elaboração e apresentação de projeto de disposição de estéril em pilha, várias configurações geométricas de pilhas de estéril, dispostas em encostas e construídas pelo método ascendente, foram analisadas com o intuito de avaliar a aplicação destas normas reguladoras e verificar o comportamento das pilhas á luz da análise elastoplástica de equilíbrio estático. Por fim, um estudo de caso da pilha de estéril de Mont Jardin da Nickel SLN em New Caledonia é apresentado e os resultados desta análise numérica são comparados com os resultados obtidos por Omraci et al. (2002). __________________________________________________________________________________________ / ABSTRACT: The objective of this dissertation is the application of the finite element method (FEM), by using the computer program ANLOG (Nonlinear Analysis Geotecnhical Constructions) for static analysis of mechanical behavior of mining sterile piles under plane strain condition, highlighting tha aspects of geometry boundary conditions, the constitutive properties (both material, pile and foundation) and the construction process. This work aims to contribute to better understanding of the mechanical behavior of mining sterile piles leading to the development of safer and reliable projects. The constitutive behavior of materials was represented by linear elastic model and elasticperfectly plastic model adopting the Modified Mohr-Coulomb criterion. Regarding the simulation of the construction process adopts the technique of "gravity turn" along with the dynamic mesh procedure. Some preliminary analysis is presented in order to verify the use of computer program ANLOG for stress-strain analysis of this type of geotchnical work. In this case, it was presented situations in wwhich analytical or numerical solution were known and available in the literature. Then, considering the regulatory standards formining regarding to elaboration and presentation of mining waste dump's project, several geometric configurations of hillside piles built by the ascending method, were analyzed in order to verify the regulatory standards and the behavior of these piles in the light of the elastoplastic analysis of static equilibrium. Finally, a case study of Mont Jardin's waste dump of Nickel SLN in New Caledonia is presented and the results of this numerical analysis are compared with results obtained by Omraci et al. (2002).

In transport of fluids or even as structural elements, cylindrical shells are widely used in several segments of structure engineering. The understanding of the behavior of this type of structure along a trajectory of equilibrium resultant of a description of historical loading of different natures and, consequently, is important in the definition of the real load capacity of the ducts. In this work, a finite element for geometric and threedimensional nonlinear analyses of pipes is developed. Taking into account the nature of the analysis, proper measure of tension and deformation that are compatible with states of large deformations and displacements are studied. The Total Lagrangean formulation is adopted, but the constitutive relationships used are linear. The developed computational implementation uses a three-dimensional finite element of pipe with 2 or 3 nodes, compatible with the state of great deformations and displacements, and, also, incorporating the movements of rigid body of the structure.In order to map the nonlinear trajectories of equilibrium, using some methodologies proposed in the literature, a structure of Object-Oriented Programming is used. It allows the application of different techniques of incremental and iterative analysis integrated to the implementation of the aforementioned finite elements.Aiming to validate the formulation, the results obtained by using the program here developed are evaluated through their comparison with analytical solutions and previously published results. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No transporte de fluidos ou mesmo como elementos estruturais as cascas cilíndricas são largamente utilizadas em diversos segmentos da engenharia civil. A compreensão do comportamento desse tipo de estrutura ao longo de uma trajetória de equilíbrio resultante de um histórico de carregamento de diferentes naturezas é importante na definição da real capacidade portante dos dutos. Neste trabalho, desenvolve-se um elemento finito para análises geometricamente não lineares tridimensionais de tubos. Levando-se em consideração a natureza da análise, são estudadas medidas adequadas de tensão e deformação, compatíveis com regimes de grandes deformações e deslocamentos. A formulação Lagrangeana Total é adotada, mas as relações constitutivas utilizadas são lineares. A implementação computacional desenvolvida emprega um elemento finito tridimensional de tubo com 2 ou 3 nós, compatível com o regime de grandes deformações e deslocamentos, incorporando, também, os movimentos de corpo rígido da estrutura. Com o objetivo de mapear as trajetórias não lineares de equilíbrio, utilizando-se algumas metodologias propostas na literatura, é usada uma estrutura de programação orientada a objetos, permitindo a aplicação de diferentes técnicas de análise incremental e iterativa integradas à implementação de elementos finitos supracitada. Visando validar a formulação, os resultados obtidos no programa desenvolvido são avaliados através da comparação com soluções analíticas e outras análises numéricas disponíveis na literatura.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Com base em um cenário econômico favorável combinado aos avanços tecnológicos das ciências dos materiais e processos de construção, nas últimas três décadas, as cidades brasileiras têm apresentado um crescimento substancial, no que diz respeito à construção de edifícios residenciais e comerciais de múltiplos andares. Atualmente, estes edifícios apresentam níveis de esbeltez elevados e têm sido construídos com estruturas cada vez mais ousadas e que englobam a experiência e o conhecimento dos engenheiros de estruturas. Como o principal objetivo dos projetistas está associado à concepção de estruturas mais leves, o projeto estrutural requer um conhecimento teórico substancial a fim de tornar compatíveis os requisitos arquitetônicos com as condições necessárias para a estabilidade. Assim sendo, o objetivo desta dissertação de mestrado é o de investigar o comportamento estrutural estático e dinâmico (linear e não linear) de um edifício misto (aço-concreto) de 20 pavimentos. Para tal, o estudo apresenta os resultados de análises estáticas e dinâmicas lineares e não lineares para ações de serviço. O comportamento estrutural do edifício, quando submetido às ações dinâmicas induzidas pelo vento, também foi investigado. Os resultados revelam que edifícios esbeltos merecem atenção especial, no que diz respeito à concepção do projeto estrutural, sendo que seu comportamento deve ser verificado através de metodologias completas que incluam análises do tipo estática e dinâmica (lineares e não lineares). / Based on a favorable economic scenario and technological advances of material sciences and construction processes, in the last three decades, the Brazilian cities have presented a substantial growth, with respect to construction of residential and commercial multi-storey buildings. Nowadays, these buildings present greater slenderness and have been constructed with increasingly daring structures that encompass the experience and knowledge of structural designers by using newly developed materials and technologies boosted by the ever-growing investigations on this field. As the structural designer main objective is related to produce increasingly lighter structures its conception requires a substantial amount of theoretical knowledge associated to structural design and construction processes, in order to make compatible the requirements of architecture with the necessary conditions to the stability. Considering all aspects mentioned before, the objective of this master dissertation is to investigate the structural behavior of a 20 floors steel-concrete composite building, based on static and dynamic analyses (linear and nonlinear). The present study has considered the results of a linear-elastic and non-linear geometric analysis for serviceability actions. The structural behavior of a 20 floors steel-concrete composite building under dynamic actions induced by the wind was also investigated. As a result, it must be emphasized that these buildings deserve special attention from the architectural and structural design and its behavior should be verified by methods including a full static and dynamic analysis (linear and non-linear).

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-03-02T15:36:59Z No. of bitstreams: 1 161213.pdf: 4310854 bytes, checksum: 57d994b5e1da42937523f90f621e9ca4 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-02T15:36:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 161213.pdf: 4310854 bytes, checksum: 57d994b5e1da42937523f90f621e9ca4 (MD5) Previous issue date: 1984-11 / Estuda-se a aplicabilidade da “Função Decrescimento Aleatório” na detecção de falhas em sistemas mecânicos lineares e a sensibilidade desta função ã variação de parâmetros de medição, tais como: posição do acelerômetro, faixa de frequência, nível de seleção, número de amostras, etc. Utiliza-se um sistema contínuo viga engastada – livre com excitação na extremidade, desenvolvendo-se o estudo teórico segundo as teorias de Euler e de Timoshenko, com variação dos parâmetros massa-mola na extremidade livre da viga, analisando-se assim a sensibilidade te6rica dos primeiros modos naturais. Apresenta-se a fundamentação teórica da função de crescimento aleatório, para sistemas a um grau de liberdade e para sistemas contínuos. Finalmente determinam-se experimentalmente, para o sistema viga engastada-livre com excitador na extremidade, Assinaturas Decrescimento Aleatório que indicam o nível de seleção, número e tamanho de amostras e a sensibilidade a variação de falhas, além de aferir a repetibilidade destas assinaturas. / The applicability of the "Random Decrement Function" to the detection of failures in linear mechanical systems is studied together with its sensitivity to the variations of measurement parameter such as, accelerometer position, frequency range, threshold level, number of samples. A continuous system consisting of a cantilever beam excited at its end has been studied. The sensitivity of the first natural modes under variation of the spring-mass characteristics at the end, is obtained, using Euler and Timoshenko theories. The theorectical basis for the Randon Decrement Function is presented to single degree of freedom and continuous systems. Experimentally obtained Random Decrement Signatures for the cantilever beam excited at the end indicate the convenient threshold level, number and size of samples, the sensitivity to failures, and also verify the repeatability of these signatures.