Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-05-03T11:57:05Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Pedro Felipe Tavares do Amaral - 2018.pdf: 5863877 bytes, checksum: 084454dc18411f245114eb910cfa2474 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-05-03T13:20:55Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Pedro Felipe Tavares do Amaral - 2018.pdf: 5863877 bytes, checksum: 084454dc18411f245114eb910cfa2474 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-03T13:20:55Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Pedro Felipe Tavares do Amaral - 2018.pdf: 5863877 bytes, checksum: 084454dc18411f245114eb910cfa2474 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-02-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In the present work, studies about the nonlinear static and dynamic behavior of a spherical membrane are presented. This membrane is composed by a hyperelastic, incompressible homogeneous and isotropic material, which is defined by either of the two distinct constitutive models: Mooney-Rivlin or the Neo-Hookean model. The equilibrium equations are obtained from the large-strain theory, by utilizing a variational formulation and by subjecting the membrane to an uniformly distributed internal radial pressure differential. From the nonlinear static analysis, internal membrane tensions and strains are obtained. From the dynamic analysis, the frequency-amplitude relation, the linear stability analysis, the time response, bifurcation diagrams, resonance curves and basins of attraction are obtained. As a first step, there is an analysis on a membrane composed by the same experimental material, which is described by the two different constitutive models presented in this work. It is observed that the dynamic responses are considerably distinct, due to the difference between the geometrical nonlinearities that each constitutive model insert on the equilibrium equation. The Neo-Hookean model has a lower pre-stretching limit, and its attraction basins are more eroded and irregular than the Mooney-Rivlin, that is still stable on regions of larger vibration amplitudes. Then, the influence of the Mooney-Rivlin parameter (α) is evaluated, and it is found that this parameter is the main source of the differences between the constitutive models, modifying the stability, nonlinear vibrations and also influencing on the loss or gain of the global rigidity of the membrane. / Neste trabalho são apresentados estudos dos comportamentos não lineares, estático e dinâmico, de uma membrana de geometria esférica composta por um material hiperelástico, incompressível, homogêneo e isotrópico definido por um entre esses dois modelos constitutivos: Mooney-Rivlin ou Neo-Hookeano. As equações de equilíbrio são obtidas a partir da teoria de grandes deformações, utilizando uma formulação variacional e considerando a membrana esférica submetida a uma pressão interna na direção radial uniformemente distribuída. A partir da análise não linear estática, encontram-se as tensões e as extensões radiais da membrana e da análise dinâmica obtêm-se as relações frequência-amplitude, a análise não linear da estabilidade, as respostas no tempo, os diagramas de bifurcação, as curvas de ressonância e as bacias de atração da membrana. Primeiramente, analisa-se a membrana composta por um mesmo material experimental e descrita pelos dois modelos hiperelásticos avaliados nesta dissertação. Observa-se que as respostas dinâmicas são consideravelmente distintas entre si devido à diferença entre as não linearidades geométricas que cada modelo constitutivo insere na equação de equilíbrio, sendo que o modelo Neo-Hookeano apresenta menor limite de pré-carregamento com bacias de atração mais erodidas e menos uniformes quando comparado ao modelo de Mooney-Rivlin, que ainda apresenta estabilidade em regiões de maior amplitude de vibração. Posteriormente, avalia-se a influência do parâmetro do material do tipo Mooney-Rivlin (α), que é a principal fonte das diferenças entre os modelos constitutivos, na estabilidade e nas vibrações não lineares da membrana esférica, observando-se que o parâmetro influência na perda ou no ganho de rigidez global do problema.

Sistemas estruturais constituídos por perfis de aço são, em geral, dimensionados de uma forma \"indireta\", isto é, cada componente é analisado e verificado segundo suas capacidades teóricas individualmente, normalmente associando-se condições de extremidade e comprimentos teóricos para cada barra de modo a aproximar a sua capacidade portante sob a condição real. Contudo, importantes efeitos como a transmissão do empenamento entre as barras devido à torção e/ou distorção, as restrições localizadas impostas por sistemas de contraventamento ou componentes diversos, e também a compatibilidade de deslocamentos locais/globais entre barras conectadas não alinhadas entre si, são desconsiderados, uma vez que o estudo de tais efeitos envolve, normalmente, custosos trabalhos de modelagem através de elementos finitos de casca (e/ou sólidos), soluções numéricas complexas e demoradas, e/ou estudos experimentais caros e trabalhosos. Neste contexto, alguns recentes trabalhos apontam para um vasto campo de aplicações das inovadoras potencialidades da Teoria Generalizada de Vigas (GBT), permitindo, em particular, a análise de sistemas estruturais que consideram os diversos efeitos provocados por condições de apoio arbitrárias, diferentes posições do carregamento e efeitos decorrentes das ligações entre as barras. Contudo, apesar de tais recursos ampliarem as aplicações da GBT na análise de estabilidade de sistemas estruturais, apenas um conjunto limitado de problemas pode ser atendido, especialmente quanto às ligações entre as barras. Os recentes trabalhos envolvendo a aplicação da GBT para a análise de estabilidade de pórticos metálicos dedicaram-se ao estudo de alguns casos específicos de ligações rígidas, isto é, assumem a hipótese de transferência completa dos deslocamentos generalizados entre as barras. Assim, uma vez que a rigidez de tais ligações pode ser responsável por mudanças significativas no comportamento do sistema estrutural em questão, este trabalho procura fornecer uma solução capaz de considerar a semirrigidez das ligações metálicas associada aos parâmetros modais típicos da GBT. Além disso, dada a possibilidade de ampliar os tipos de ligações analisadas por meio da GBT, incluindo as configurações mais comumente utilizadas na prática, apresentam-se novos conjuntos de relações cinemáticas desenvolvidas para tal, assim como as referidas validações, que são realizadas por meio de análises utilizando o programa computacional ANSYS®. / Steel structural systems are usually associated with an \"indirect approach\", i.e., each component of the respective structure is analysed and verified according to its theoretical individual capacity. Normally, in order to approximate the real behaviour of the structural system, specific support conditions and effective length concepts are used to analyse each structural member separately. However, some important effects are disregarded in this procedure, like the warping transmission at frame joints (due to torsion and/or distortion), or those stemming from localized supports associated with bracing systems, as well as the local/global displacements compatibility of the cross-section walls at the joint region. Additionally, studies considering the above mentioned effects involves rather complicated and time-consuming numerical analyses using shell and/or solid finite elements, and/or expensive experimental investigation. On the other hand, some recent studies revealed a large field for application of the Generalized Beam Theory (GBT) in the context of the stability, first and second order analyses of structural systems, considering, particularly, the effects caused by arbitrary support conditions, different load positions, and the effects caused by connections between members. Nonetheless, all the recent works applying GBT for stability analysis of steel frames are focused on some specific cases of rigid connections, i.e., they assume the full transfer of the generalized displacements between the non-aligned members. Thus, given the well-known fact that the rigidity of connections may lead to considerable changes of the structural behaviour of steel structural systems, this work deals with the development of a solution to incorporate the semi-rigidity of the steel frame connections to the modal parameters of the GBT. Furthermore, given the possibility to expand the connection types analysed by means of GBT, including the most commonly used configurations adopted in practice, it is presented the related new kinematic relations developed, as well as the validation studies carried out in the software ANSYS®.

Este trabalho aborda o escoamento incompressível ao redor de um cilindro circular. A tese que se quer defender, com base em experimentos numéricos, é: A equação de Landau pode ser obtida a partir das equações de Navier-Stokes por uma análise de estabilidade não-linear global. A teoria produz um procedimento bem-definido para determinação dos coeficientes da equação de Landau, permitindo assim a sua interpretação como um modelo simplificado (equações reduzidas de Navier-Stokes) para a predição das forças aplicadas pelo fluido ao cilindro, que podem ser comparados com resultados experimentais. O modelo não-linear se baseia em uma teoria assintótica que, como se sabe, tem sua faixa de validade no espaço de parâmetros determinada a posteriori, por meio da própria comparação com dados de laboratório. Resultados na faixa 46 <= Re <= 80 são apresentados. Descobriu-se, que a faixa de aplicabilidade da teoria como aqui exposta é restrita, não excedendo em muito o valor crítico do número de Reynolds. Argumentos são expostos para justificar esta afirmação e possíveis maneiras de modificar a teoria para estender esta faixa são apresentadas. São reportados, ainda, teoria e resultados sobre um novo tipo de condição de contorno,denominado impedância fluida, que permite reduzir o tamanho do domínio de cálculo necessário para simulação de escoamentos externos, comparativamente à comumente utilizada condição de outflow. Neste caso, abordou-se a faixa 20 <= Re <= 600. / This work adresses the incompressible flow around a circular cylinder. What we want to prove, based on numerical experiments, reads: The Landau equation can be derived from the Navier-Stokes equations by means of a global nonlinear stability analysis. The theory leads to a procedure for calculating numerically the coefficients of these equation, thus permitting their interpretation as a simplified model - reduced Navier-Stokes equation - for the prediction of the forces applied by the fluid on the cylindrical structure, which can be compared against experimental data. The nonlinear model is based on an asymptotic theory which, as is known, has its validity range in the parameter space determined a posteriori. The focus lies in the range 46 <= Re <= 80. It was found that the theorys applicability range as presented here is restricted to a small neighborhood of Rec. This affirmation in justified and possible means of modifying the theory in order to enlarge this range are proposed. Theory and results concerning a new type of boundary condition called fluid impedance are also reported, permitting the reduction of the domain size necessary for simulating external flows, comparatively to the commonly used outflow condition. In this case, the range 20 <= Re <= 600 was considered.

No contexto do método MAC e baseado em esquemas de diferenças finitas, este trabalho apresenta três estudos: i) uma análise de estabilidade, ii) o desenvolvimento de técnicas implícitas e, iii) a construção de métodos de projeção para escoamentos com superfície livre. Na análise de estabilidade, o principal resultado mostra que o método de Crank-Nicolson torna-se condicionalmente estável quando aplicado para uma malha deslocada com a discretiza ção explícita das condições de contorno do tipo Dirichlet. Entretanto, o mesmo método com condições de contorno implícitas é incondicionalmente estável. Para obter métodos mais estáveis, formulações implícitas são desenvolvidas para a equação da pressão na superfície livre, derivada da condição de tensão normal. Esta estratégia resulta no acoplamento dos campos de velocidade e pressão, o que exige a introdução de novos métodos de projeção. Os métodos de projeção assim desenvolvidos resultam em novas metodologias para escoamentos com superfície livre que são apropriados para o tratamento de problemas com baixo número de Reynolds. Além disso, mostra-se que os métodos propostos podem ser aplicados para fluidos viscoelásticos. Novas estratégias são derivadas para obter métodos de projeção de segunda ordem de precisão para escoamentos com superfícies livres. Além dos resultados teóricos sobre a estabilidade de esquemas numéricos, técnicas implícitas e métodos de projeção, testes computacionais são realizados e comparados para consolidação da teoria apresentada. Os resultados numéricos são obtidos no sistema FREEFLOW. A eficiência e robustez das técnicas desenvolvidas neste trabalho são demonstradas na solução de problemas tridimensionais complexos com superfície livre e baixo número de Reynolds, incluindo os problemas do jato oscilante e do inchamento do extrudado / In the context of the MAC method and based on finite difference schemes, this work presents three studies: i) a stability analysis, ii) the development of implicit techniques, and iii) the construction of projection methods for free surface flows. In the stability analysis, the main result shows a precise stability restriction on the Crank-Nicolson method when one uses a staggered grid with Dirichlet explicit boundary conditions. However, the same method with implicit boundary conditions becomes unconditionally stable. In order to obtain more stable methods, implicit formulations are applied for the pressure equation at the free surface, which is derived from the normal stress condition. This approach results in a coupling of the velocity and pressure fields; hence new projection methods for free surface flows need to be developed. The developed projection methods result in new methodologies for low Reynolds number free surface flows. It is also shown that the proposed methods can be applied for viscoelastic fluids. New strategies are derived for obtaining second-order accurate projection methods for free surface flows. In addition to the theoretical results on the stability of numerical schemes, implicit techniques and projection methods, computational tests are carried out and the results compared to consolidate the theory. The numerical results are obtained by the FREEFLOW system. The eficiency and robustness of the techniques in this work are demonstrated by solving complex tridimensional problems involving free surface and low Reynolds numbers, including the jet buckling and the extrudate swell problems

Esta tese apresenta o estudo da transição para um escoamento tridimensional da esteira de um cilindro oscilando. Esta é a transição secundária do escoamento ao redor de um cilindro, sendo a primária a própria esteira de von Kármán. A investigação é realizada na mesma faixa de número de Reynolds (Re) que ocorre a transição da esteira de um cilindro fixo: 200 Re 400. O estudo envolve simulações numéricas diretas bi- e tridimensionais do escoamento incompressível ao redor de um cilindro oscilando usando o método dos elementos espectrais. A transição também é analisada através do estudo de estabilidade linear do escoamento. O método de Gaston Floquet é adequado para a análise de estabilidade a perturbações tridimensionais devido à periodicidade característica da esteira de von Kármán. Além disto, o método é mais geral e não é aplicado somente a equações autônomas com soluções periódicas: ele também pode ser usado em análises cujo campo base é estacionário como a análise da transição primária da esteira de um cilindro. Mostra-se que a transição da esteira para tridimensionalidade é influenciada pela oscilação do cilindro. As oscilações podem atrasar a transição quando em amplitudes baixas e com escoamento a um número de Reynolds até 260. Em outros casos, a transição é similar à observada no escoamento ao redor um cilindro fixo. Além disso, quando há mudança de padrões de desprendimento de vórtices devido às oscilações, desencadeiam-se modos instáveis diferentes dos observados na esteira de um cilindro fixo. A comparação dos resultados da análise de estabilidade de Floquet com simulações numéricas diretas e experimentos publicados mostra na maioria dos casos que, apesar de ser uma análise de estabilidade linear, muitas características da análise persistem além do limiar de estabilidade. As situações com discrepâncias são identificadas nesta tese, como padrão de desprendimento diferentes em simulações bi- e tridimensionais na mesma situação. As causa das discrepâncias são estudadas através das simulações numéricas diretas e considerações sobre o sistema linearizado e a abrangência da análise de estabilidade. Em adição, mostra-se que há um limiar de amplitude de oscilação acima do qual a dinâmica da esteira, e portanto a transição secundária, é afetada. Abaixo deste limiar, retoma-se o comportamento do escoamento ao redor de um cilindro fixo. / This thesis presents the investigation of the transition to a three-dimensional flow in the wake of an oscillating circular cylinder. This is the secondary transition of the flow around a circular cylinder, while the primary transition leads to the von Kármán wake. The investigative work is performed in the Reynolds number (Re) range which occurs the secondary transition of the wake o a circular cylinder: 200 Re 400. The study consists of two- and three-dimensional direct numerical simulations of the incompressible flow around an oscillating circular cylinder by means of the spectral/hp method. The transition is also analyzed through linear stability study of the flow. The Gaston Floquet method is an appropriate method for this linear stability analysis to three-dimensional perturbations due to the typical periodicity of the von Kármán wake. Furthermore, the Floquet method is of a general kind and it is not specifically applied to autonomous equation with periodic solutions: it can be employed in analysis with a stationary base flow like the primary transition of the wake of a circular cylinder. The thesis shows that the transition to a three-dimensional wake is affected by the cylinder oscillation. The oscillations can delay the transition when they have low amplitudes and the flow has Reynolds number below 260. In other situations, the transition is similar to that observed in the flow of a fixed circular cylinder. In addition, when there is a change in the vortex shedding pattern due to the oscillatory motion, the observed unstable modes are different than those in a wake of a fixed circular cylinder. The comparison of the results from the Floquet stabilty analysis with the ones from direct numerical simulations and published experiments shows that in most cases, despite the linearization for the stability analysis, many features of the analysis persist beyond the instability threshold. The discrepant features observed are specified in this thesis, e.g. vortex shedding patterns different in two- and three-dimensional simulations with the same parameters. The cause of the discrepancies are studied through direct numerical simulations and careful considerations on the linearized system and the range of the stability analysis. In addition, this thesis shows that there is a threshold amplitude of oscillation for which the wake dynamics, therefore the secondary transition, is affected. Below this threshold, the wake behaves the same way as in the flow around a fixed circular cylinder.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This study had as main objective to perform the modeling and analysis of transient stability of a typical electric power system. The second goal, also important, was to assess the feasibility of using ATP (Alternative Transients Program) as a computer tool for simulation of transient stability. The system focused here is comprised of nine busses with three generators, one hydraulic and the other two with thermal characteristics. All the system machines were equipped with voltage regulators and speed governor in ATP software. The technical issues studied here refer to the analysis of system stability after a disturbance, such as: three-phase short-circuit, load loss and generation outage. The results show that ATP software performs satisfactorily the transient stability analysis. This fact can also be proved by comparing the results obtained from ATP with those from simulations with PSAT (Power System Analysis Toolbox). For this purpose some adjustments were necessary in the graphical results since ATP works in time domain while PSAT program operates in the frequency domain. / Este trabalho teve como principal objetivo realizar a modelagem e a análise da estabilidade transitória de um sistema elétrico de potência típico. O segundo objetivo, também importante, consistiu em avaliar a viabilidade de se utilizar o ATP (Alternative Transients Program) como uma ferramenta computacional para simulação de estabilidade transitória. O sistema aqui enfocado é composto por nove barramentos com três unidades geradoras, uma com característica hidráulica e as outras duas com características térmicas. Todas as máquinas do sistema foram equipadas com reguladores de tensão e velocidade no programa ATP. As questões técnicas estudadas aqui se referem à análise da estabilidade do sistema após uma perturbação, sendo elas: falta trifásica, perda de carga e saída de geração. Os resultados mostram que o software ATP realiza satisfatoriamente a análise de estabilidade transitória. Este fato pode também ser comprovado pela comparação dos resultados obtidos com o ATP com aqueles provenientes de simulações com o PSAT (Power System Analysis Toolbox). Para este propósito foi necessário realizar alguns ajustes nos resultados gráficos já que ATP trabalha no domínio do tempo enquanto que o programa PSAT opera no domínio da frequência, tais como: transformação de alguns gráficos fornecidos pelo ATP em pu. / Mestre em Ciências

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-10-22Bitstream added on 2014-06-13T20:00:53Z : No. of bitstreams: 1 moreno_al_dr_ilha.pdf: 923809 bytes, checksum: e8a55f496e6bf5bfbe0531f9211526e5 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Esta pesquisa visa o desenvolvimento de um método para análise da estabilidade transitória de sistemas de energia eletrica multimaquinas, por meio de uma rede neural ART-ARTMAP Fuzzy Euclidiana Modificada com Treinamento Continuado. Esta arquitetura apresenta tres diferenciais em e relação a outras já utilizadas para abordar tal problema: (1) a rede iniciada com apenas um neuronio ativado e vai se expandindo durante todo o o treinamento/análise, (2) possui um módulo de treinamento continuado e (3) a o possui um módulo de deteção de intruso. No primeiro diferencial, a redeé iniciada com um neuronio e vai se expandindo de acordo com a aquisição de conhecimento, isto faz com que esta se torne muito mais rápida e que o gasto computacional se torne mínimo. Com o módulo de treinamento continuado, a rede neural consegue armazenar novos dados sem a necessidade de realizar o retreinamento. Já o módulo de detecção de intruso faz com que, ao ser apresentada a rede uma configuração estranha, a rede execute um treinamento específico para que esta configuração, com um número mínimo de entradas, seja incorporada definitivamente à rede neural. A aplicação para a rede proposta nesta pesquisa, foi a análise de estabilidade transitória, considerando-se o modelo clássico (estabilidade de primeira oscilação), para um sistema composto por 10 máquinas síncronas, 45 barras e 73 linhas de transmissão / This doctoral research aims to develop a method to analyze the transient stability of multimachine eletric power systems, through a neural network Modified Euclidean Fuzzy ART-ARTMAP with Continuous Training. The architecture presented has three differences in relation to others used to deal with this problem: (1) the network starts with only one neuron activated and expands throughout the training/analysis, (2) has a continuous training module and (3) has an intrusion detection module. The first difference, is the fact that it starts with a neuron and expands according to knowledge acquisition of the network, and causes it to become much faster and the computational expenses becomes minimum. With continuous training mod- ule, the neural network can store the new data without the need for the retraining. The intrusion detection module causes, when presented to the network a strange configuration, the network to carry out a specific training for this configuration with a minimum total of inputs so that the configu- ration is definitely incorporated to the neural network. The application for this network, in this research, was to analyze the transient stability consid- ering the classical model (stability of first oscillation) to a system composed of 10 synchronous machines, 45 buses and 73 transmission lines

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:26:55Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-02-26Bitstream added on 2014-06-13T18:30:53Z : No. of bitstreams: 1 pena_is_me_sjrp.pdf: 488383 bytes, checksum: 40a97f3540caa6b8f6f2691c3a402579 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Sistemas dinâmicos híbridos se diferenciam por exibir simultaneamente variados tipos de comportamento dinâmico (contínuo, discreto, eventos discretos) em diferentes partes do sistema. Neste trabalho foram estudados resultados de estabilidade no sentido de Lyapunov para sistemas dinâmicos híbridos gerais, que utilizam uma noção de tempo generalizado, definido em um espaço métrico totalmente ordenado. Mostrou-se que estes sistemas podem ser imersos em sistemas dinâmicos descontínuos definidos em R+, de forma que sejam preservadas suas propriedades qualitativas. Como foco principal, estudou-se resultados de estabilidade para sistemas dinâmicos descontínuos modelados por semigrupos de operadores, em que os estados do sistema pertencem à espaços de Banach. Neste caso, de forma alternativa à teoria clássica de estabilidade, os resultados não utilizam as usuais funções de Lyapunov, sendo portanto mais fáceis de se aplicar, tendo em vista a dificuldade em se encontrar tais funções para muitos sistemas. Além disso, os resultados foram aplicados à uma classe de equações diferenciais com retardo. / Hybrid dynamical systems are characterized for showing simultaneously a variety of dynamic behaviors (continuous, discrete, discrete events) in different parts of the System. This work discusses stability results in the Lyapunov sense for general hybrid dynamical systems that use a generalized notion of time, defined in a completely ordered metric space. It has been shown that these systems may be immersed in discontinuous dynamical systems defined in R+, so that their quality properties are preserved. As the main focus, it is studied stability results for discontinuous dynamical systems modeled by semigroup operators, in which the states belong to Banach spaces. In this case, an alternative to the classical theory of stability, the results do not make use of the usual Lyapunov functions, and therefore are easier to apply, in view of the difficulty in finding such functions for many systems. Furthermore, the results were applied to a class of time-delay discontinuous differential equations.

Submitted by Franciele Moreira (francielemoreyra@gmail.com) on 2018-09-21T14:50:47Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Nícolas Rodrigues Moura - 2018.pdf: 4165797 bytes, checksum: 86460ffa29b4d346005f977c2f75693e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-09-24T13:21:40Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Nícolas Rodrigues Moura - 2018.pdf: 4165797 bytes, checksum: 86460ffa29b4d346005f977c2f75693e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-24T13:21:40Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Nícolas Rodrigues Moura - 2018.pdf: 4165797 bytes, checksum: 86460ffa29b4d346005f977c2f75693e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-08-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Análises de estabilidade de taludes são predominantemente realizadas em duas-dimensões (2D) por métodos de equilíbrio limite. Os métodos convencionais de equilíbrio limite são alvos de muitas críticas pelo o uso do equilíbrio estático, pressuposições de forças na análise e por possuir o mesmo fator de segurança ao longo de toda a superfície de deslizamento. Para superar essas deficiências, o método proposto por Kulhawy (1969) incorpora o comportamento tensão-deformação do solo com tensões oriundas do Método de Elementos Finitos (FEM) e tem a mesma estrutura dos métodos de equilíbrio dos métodos de equilíbrio de equilíbrio limite clássicos. É também chamado de método aperfeiçoado. Devido à existência de taludes com geometrias complexas, a abordagem tridimensional (3D) é a única capaz de incorporar todos os aspectos geométricos do problema. Esta dissertação é dividida em dois artigos com o tema de estabilidade de taludes pelo o método de Kulhawy em abordagens 2D e 3D. O objetivo primário dessa dissertação é avaliar os principais fatores que influenciam a estabilidade de taludes. O primeiro artigo propôs geometrias variando de convexo a côncavo em um conjunto de propriedades típicas de solos. Duas trajetórias de geração de tensões in- situ foram utilizadas, i.e., construção e escavação. O método GLE foi calculado para fins de comparação. A superfície de deslizamento é muito dependente do histórico de tensão e da forma da face do talude. A diferença relativa no estado de tensões inicial típico alcançou 15% nas análises 2D e 34% nas análises 3D. A análise de sensibilidade do efeito do Poisson no fator de segurança mostrou-se muito relevante. A relação entre os fatores de segurança 2D e 3D são quase lineares independente do estado de tensões, das propriedades de resistência, formato da face do talude, na ordem de 30 a 40%. O segundo artigo propõe análises em barragens construídas em vales estreitos. Três abordagens de análises foram utilizadas: redução de resistência ao cisalhamento (SSR), métodos de Kulhawy e GLE. Condições típicas de fundações são muito variáveis como topografia e deformabilidade. A análise de sensibilidade do módulo de fundação de Young no fator de segurança foi insignificante em 2D e relevantes em 3D. A relação entre o comprimento do aterro (W) e a altura () é uma variável representativa do grau de estreitamento da barragem e na estabilidade de taludes. A análise de deformações planas tende a altas relações W/H e o oposto mostra elevados efeitos 3D. A inclinação da ombreira mostrou-se relevante no fator de segurança apenas em aterros em vales estreitos. Fundações mais rígidas são mais beneficias para o fator de segurança devido à produção de altos efeitos de arqueamento neste cenário. O método de Kulhawy provou-se ser vantajoso pela a incorporação do comportamento mecânico do solo, o uso de tensões mais realísticas nas análises e avaliação da estabilidade local na superfície de deslizamento. Isso aumenta a quantidade de informações úteis e confiáveis para o profissional de engenharia no projeto de taludes. Todas as análises foram realizadas usando o software SoilVision Systems, Saskatchewan, Canadá. Os módulos utilizados foram o SVLOPE, SVSOLID e o SVFLUX (SoilVision Systems Ltd., 2018). A análise de tensão para a simulação de trajetórias de escavação e construção utilizou do solucionador de Equações Diferenciais Parcias (PDE) o FlexPDE 6 (PDE Solutions Inc., 2014). / Slope stability analyses are predominantly performed using the two-dimensional (2D) conventional limit equilibrium methods. Conventional limit equilibrium methods are targets of many criticisms for using static equilibrium, assumptions of forces in the analysis and the same factor of safety along the slip surface. In order to overcome these shortcomings, the method proposed by Kulhawy (1969) incorporates the stress-strain behavior of the soil with stresses from the Finite Element Method (FEM) with the same structure as limit equilibrium methods. It is also called enhanced method. Due to the existence of slopes with complex geometries, the three-dimensional (3D) approach is only able to incorporate all the geometric aspects of the problem. This thesis is divided into two papers with the subject of slope stability analyses by the Kulhawy’s method in 2D and 3D approaches. The primary objective of this thesis is to evaluate major factors that influence slope stability. The first paper proposed geometries ranging from convex to concave in a set of soil properties. Two stress paths were considered, i.e., construction and excavation. The GLE method was computed for comparison purposes. The slip surface is very dependent on the stress history and the shape of slope face. The relative difference in typical initial stress state reached 15% in 2D analyses and 34% in 3D analyses. Sensitivity analysis of effect of Poisson’s ratio on factor of safety was very relevant. The relationship between 2D and 3D factors of safety are nearly linear independent of stress state on order of 30 to 40%. The second paper propose analyses on embankment dams built in narrow valleys. Three approaches of slope stability were used: shear strength reduction (SSR), Kulhawy’s and GLE methods. The typical conditions of foundation sites are very variable as topography and deformability. Sensitivity analysis of Young’s modulus of foundation on factor of safety was insignificant in 2D and relevant in 3D analyses. The ratio between embankment length (W) and height (H) was very important on slope stability. The plane strain analysis tends to high W/H ratio and the opposite shows high 3D effects. The inclination of abutment showed to be relevant on factor of safety only in embankments in narrow valleys. Stiffer foundations are beneficial to the factor of safety due producing high arching effects in this scenario. The Kulhawy’s method proved to be advantageous by the incorporation of mechanical behavior of soil, more realistic stress and local stability evaluation on slip surface. It increases the amount of useful and reliable information to the engineering professional in design of slopes. All analyses were performed using SoilVision Systems suite software, Saskatchewan, Canada. The modules used were SVSLOPE, SVSOLID and SVFLUX (SoilVision Systems Ltd., 2018). The stress analysis for the simulation of excavation and construction trajectories used partial differential equation (PDE) solver, FlexPDE 6 (PDE Solutions Inc., 2014).

Esta tese apresenta o estudo da transição para um escoamento tridimensional da esteira de um cilindro oscilando. Esta é a transição secundária do escoamento ao redor de um cilindro, sendo a primária a própria esteira de von Kármán. A investigação é realizada na mesma faixa de número de Reynolds (Re) que ocorre a transição da esteira de um cilindro fixo: 200 Re 400. O estudo envolve simulações numéricas diretas bi- e tridimensionais do escoamento incompressível ao redor de um cilindro oscilando usando o método dos elementos espectrais. A transição também é analisada através do estudo de estabilidade linear do escoamento. O método de Gaston Floquet é adequado para a análise de estabilidade a perturbações tridimensionais devido à periodicidade característica da esteira de von Kármán. Além disto, o método é mais geral e não é aplicado somente a equações autônomas com soluções periódicas: ele também pode ser usado em análises cujo campo base é estacionário como a análise da transição primária da esteira de um cilindro. Mostra-se que a transição da esteira para tridimensionalidade é influenciada pela oscilação do cilindro. As oscilações podem atrasar a transição quando em amplitudes baixas e com escoamento a um número de Reynolds até 260. Em outros casos, a transição é similar à observada no escoamento ao redor um cilindro fixo. Além disso, quando há mudança de padrões de desprendimento de vórtices devido às oscilações, desencadeiam-se modos instáveis diferentes dos observados na esteira de um cilindro fixo. A comparação dos resultados da análise de estabilidade de Floquet com simulações numéricas diretas e experimentos publicados mostra na maioria dos casos que, apesar de ser uma análise de estabilidade linear, muitas características da análise persistem além do limiar de estabilidade. As situações com discrepâncias são identificadas nesta tese, como padrão de desprendimento diferentes em simulações bi- e tridimensionais na mesma situação. As causa das discrepâncias são estudadas através das simulações numéricas diretas e considerações sobre o sistema linearizado e a abrangência da análise de estabilidade. Em adição, mostra-se que há um limiar de amplitude de oscilação acima do qual a dinâmica da esteira, e portanto a transição secundária, é afetada. Abaixo deste limiar, retoma-se o comportamento do escoamento ao redor de um cilindro fixo. / This thesis presents the investigation of the transition to a three-dimensional flow in the wake of an oscillating circular cylinder. This is the secondary transition of the flow around a circular cylinder, while the primary transition leads to the von Kármán wake. The investigative work is performed in the Reynolds number (Re) range which occurs the secondary transition of the wake o a circular cylinder: 200 Re 400. The study consists of two- and three-dimensional direct numerical simulations of the incompressible flow around an oscillating circular cylinder by means of the spectral/hp method. The transition is also analyzed through linear stability study of the flow. The Gaston Floquet method is an appropriate method for this linear stability analysis to three-dimensional perturbations due to the typical periodicity of the von Kármán wake. Furthermore, the Floquet method is of a general kind and it is not specifically applied to autonomous equation with periodic solutions: it can be employed in analysis with a stationary base flow like the primary transition of the wake of a circular cylinder. The thesis shows that the transition to a three-dimensional wake is affected by the cylinder oscillation. The oscillations can delay the transition when they have low amplitudes and the flow has Reynolds number below 260. In other situations, the transition is similar to that observed in the flow of a fixed circular cylinder. In addition, when there is a change in the vortex shedding pattern due to the oscillatory motion, the observed unstable modes are different than those in a wake of a fixed circular cylinder. The comparison of the results from the Floquet stabilty analysis with the ones from direct numerical simulations and published experiments shows that in most cases, despite the linearization for the stability analysis, many features of the analysis persist beyond the instability threshold. The discrepant features observed are specified in this thesis, e.g. vortex shedding patterns different in two- and three-dimensional simulations with the same parameters. The cause of the discrepancies are studied through direct numerical simulations and careful considerations on the linearized system and the range of the stability analysis. In addition, this thesis shows that there is a threshold amplitude of oscillation for which the wake dynamics, therefore the secondary transition, is affected. Below this threshold, the wake behaves the same way as in the flow around a fixed circular cylinder.