O presente trabalho tem por finalidade estudar e implementar um modelo numérico de análises cinemáticas de sólidos tridimensionais via método dos elementos finitos posicionais, com consideração de fibras longas ou curtas inseridas de maneira aleatória ou não no domínio da análise. O modelo numérico considera material isotrópico para a matriz e não linearidade geométrica. O domínio do sólido é discretizado por meio de elementos finitos tetraédricos de ordem qualquer, cujos parâmetros nodais são suas posições. A medida de deformação utilizada é a de Green, associada à lei constitutiva de Saint-Venant-Kirchhoff, referenciada pela configuração inicial do corpo, caracterizando o sistema de espaço como Lagrangiano total. O cálculo da posição de equilíbrio é baseado no princípio da mínima energia potencial total. Para a resolução do problema não linear geométrico, adota-se o método iterativo de Newton-Raphson. A inserção das fibras no domínio da análise é feita com a associação das mesmas com elementos finitos unidimensionais curvos de ordem qualquer, cujas posições nodais são dadas em função das posições dos nós dos elementos de sólido. Essa abordagem tem como vantagem o fato de não aumentar o número de graus de liberdade do sistema, ao mesmo tempo em que não limita as posições das fibras dentro do domínio por não ser necessária a coincidência das malhas. Exemplos são apresentados para validação dos desenvolvimentos e implementações realizadas. / This study aims to develop and implement a numerical model of kinematic enrichment, to analyze tridimensional solids based on positional finite element method, considering long and short fibers random distributed inside the domain. The numerical model considers isotropic material and geometric nonlinear behavior for both matrix and fibers. Tetrahedral finite elements with any order of approximation are used to discretize the solid domain, with positions as nodal parameters. Green strain and Saint-Venant-Kirchhoff constitutive law are used, referenced in initial configuration of the body, characterizing the developed formulation as total Lagrangian. The equilibrium is obtained with the application of Total Potential Energy Principle, adopting the Newton-Raphson method to solve the resulting nonlinear system of equations. The fibers are considered in the formulation using curved one-dimensional finite elements with any order of approximation, and the nodal positions of the fibers are related with the nodal positions of the solid elements. The coupling method adopted does not increase the number of degrees of freedom of the system, and does not limit the positions of the fiber nodes to be coincident with solid nodes. Examples are presented in order to validate the developed and implemented formulations.

O objetivo precípuo deste estudo é a implementação computacional de modelos constitutivos elásticos e elastoplásticos para materiais com gradação funcional em regime de grandes deslocamentos e elevadas deformações. Para simular numericamente um problema estrutural, são empregados aqui elementos finitos sólidos (tetraédrico e hexaédrico) com ordem de aproximação polinomial qualquer. Grandezas da Mecânica Não Linear do Contínuo, como deformação e tensão, são utilizadas na formulação deste estudo. Para reproduzir os grandes deslocamentos, é empregada a análise não linear geométrica. A descrição adotada aqui é a Lagrangiana total, e o equilíbrio da estrutura é expresso pelo Princípio da Mínima Energia Potencial Total. Com relação à resposta elástica do material, são usadas leis constitutivas hiperelásticas, nas quais a relação tensão-deformação é obtida a partir de um potencial escalar. O comportamento elastoplástico do material é definido pela decomposição da deformação nas parcelas elástica e plástica, pelo critério de plastificação de von-Mises, pela lei de fluxo associativa, pelas condições de consistência e de complementaridade, pelo parâmetro de encruamento isotrópico e pelo tensor das tensões inversas, relacionado ao encruamento cinemático. Duas formulações elastoplásticas são utilizadas aqui: a de Green-Naghdi, na qual a deformação é decomposta de forma aditiva; e a hiperelastoplástica, em que o gradiente é decomposto de forma multiplicativa. É empregado também o conceito de material com gradação funcional (GF), a qual é definida como a variação gradual (contínua e suave) das propriedades constitutivas do material. A solução numérica do equilíbrio de forças é feita via método iterativo de Newton-Raphson. Para satisfazer o critério de plastificação, são utilizadas as estratégias de previsão elástica, e de correção plástica via algoritmos de retorno. Basicamente foram desenvolvidos cinco programas computacionais: o gerador automático das funções de forma; o gerador de malhas de elementos finitos sólidos; o código para análise de materiais em regime elástico; o código para análise de materiais em regime elastoplástico; e o programa de pós-processamento. Além desses, o aluno teve contato com os programas EPIM3D e DD3IMP ao longo de seu estágio de doutorado na Universidade de Coimbra (Portugal). Os programas EPIM3D e DD3IMP são empregados para analisar, respectivamente, materiais em regime elastoplástico, e processos de conformação de metais. Para o problema da barra sob tração uniaxial uniforme, são descritas equações e soluções analíticas para materiais homogêneos e com GF em regime elastoplástico. Para reduzir o tempo de simulação, foi empregada a programação em paralelo. De acordo com os resultados das simulações numéricas, as principais conclusões são: o refinamento da malha de elementos finitos melhora a precisão dos resultados para materiais em regimes elástico e elastoplástico; as formulações elastoplásticas de Green-Naghdi e hiperelastoplástica parecem ser equivalentes para pequenas deformações; a formulação hiperelastoplástica é equivalente ao modelo mecânico dos programas EPIM3D e DD3IMP para materiais em regime de pequenas deformações elásticas; foram constatados ganhos significativos, em termos de tempo de simulação, com a paralelização dos códigos computacionais de análise estrutural; e os programas desenvolvidos são capazes de simular - com precisão - problemas complexos, como a membrana de Cook e o cilindro fino transversalmente tracionado. / The main objective of this study is the computational implementation of elastic and elastoplastic constitutive models for functionally graded materials in large deformation regime. In order to numerically simulate a structural problem, the finite elements used are solids (tetrahedric and hexahedric) of any order of approximation. Entities from Nonlinear Continnum Mechanics, as strain and stress, are used in the present formulation. To reproduce the finite displacements, the geometrically nonlinear analysis is employed. The description adopted here is the total Lagrangian, and the structural equilibrium is expressed by means of the Principal of Minimum Total Potential Energy. Regarding the elastic material response, hyperelastic constitutive laws are used, in which the stress-strain relation is obtained from a scalar potential. The elastoplastic material behavior is defined by the strain decomposition in the elastic and plastic parts, by the von-Mises yield criterion, by the associative flow law, by the consistency and complementarity conditions, by the isotropic hardening parameter, and by the backstress tensor, related to the kinematic hardening. Two elastoplastic formulations are used here: the Green-Naghdi one, in which the strain is additively decomposed; and the hyperelastoplasticiy, in which the gradient is multiplicatively decomposed. The concept of functionally graded (FG) material, in which the constitutive properties vary gradually (continuous and smoothly), is also used. The numerical solution of the forces equilibrium is obtained via Newton-Raphson iterative procedure. In order to satisfy the yield criterion, the strategies of elastic prediction and plastic correction (via return algorithms) are used. Basically, five computer codes have been developed: the automatic shape functions generator; the solid mesh generator; the code for analysis of materials in the elastic regime; the code for analysis of materials in the elastoplastic regime; and the post-processor. Besides these, the student had contact with the programs EPIM3D and DD3IMP during his doctoral stage in the University of Coimbra (Portugal). The programs EPIM3D and DD3IMP are employed to analyze, respectively, materials in the elastoplastic regime, and sheet-metal forming processes. For the problem of the bar under uniform uniaxial tension, equations and analytical solutions are described for homogeneous and FG materials. To reduce the simulation time, the parallel programming has been employed. According to the numerical simulation results, the main conclusions are: the results accuracy is improved with mesh refinement for materials in the elastic and elastoplastic regimes; the Green-Naghdi elastoplastic formulation and the hyperelastoplasticity appear to be equivalent for small strains; the hyperelastoplastic formulation is equivalent to the mechanical model of the programs EPIM3D and DD3IMP for materials the small elastic strains regime; simulation time reduction has been obtained with the parallelization of the computer codes for structural analysis; the developed programs are capable of simulating, precisely, complex problems, such as the Cook\'s membrane and the pulled thin cylinder.

Neste trabalho foram discutidos os aspectos de dimensionamento e verificação da segurança de elementos estruturais de concreto armado considerando a não-linearidade dos materiais. O estudo abordou uma nova proposta para a verificação simultânea dos estados limites últimos (ELU) e dos estados limites de serviço (ELS) para elementos de concreto armado submetidos à flexão, voltada especialmente para aplicações considerando a não-linearidade física utilizando o método dos elementos finitos. As propostas alternativas apresentadas na consideração de coeficientes minoradores das resistências dos materiais, trataram da utilização de valores médios para as relações tensão-deformação e para as resistências dos materiais; valores de referência que permitiram a composição de coeficientes globais de segurança, que independem da ruptura ser causada por esgotamento da capacidade resistente do concreto ou do aço e, finalmente, valores médios para as relações tensão-deformação no aço e no concreto, com limitação das resistências em seus valores de projeto. Foram analisadas seções transversais retangulares e do tipo T submetidas à flexão pura, com o uso das propostas alternativas. Foram, também, estudadas vigas isostáticas e hiperestáticas incluindo a verificação das reservas da capacidade resistente da estrutura, sendo que foi considerada a redistribuição dos esforços internos no caso hiperestático. As análises realizadas serviram de base para assumir-se que a terceira proposta anteriormente citada, é a mais adequada e a que atendeu, simultaneamente, às verificações dos ELU e ELS; o que a torna viável para aplicações práticas / The present work deals with dimensioning and verification of the safety conditions of reinforced concrete structural elements, taking into account the material non-linearity. It includes a new proposal for the simultaneous verification of the ultimate limit states (ULS) and the serviceability limit states (SLS) for reinforced concrete bending elements, enhancing finite element applications with physical non-linearities. The alternative proposals for the material safety factors include the use of mean values for the stress-strain relationships and the strength of materials; reference values that allow the composition of global safety coefficients that do not dependent on the type of failure, brittle in the concrete or ductile in the steel and, finally, means values for the concrete and steel stress-strain relationships, keeping the stresses always lower than the design strength values. Rectangular and T-type cross-sectional areas in pure bending were analyzed, using the alternative proposals. Statically determinate and hyperstatic beams were also studied to verify the safety conditions, including the redistribution of the internal forces in the hyperstatic cases. According to the analyses performed it is apparent that the third proposal is the most adequate and satisfies simultaneously the ULS and SLS verifications, being viable for practical applications

Neste trabalho, são desenvolvidas novas técnicas aproximadas de análise de confiabilidade para grelhas de concreto armado levando-se em consideração as probabilidades de falha de vários modos importantes. Realiza-se um acoplamento entre os métodos de Monte Carlo, elementos finitos e procedimentos de otimização para considerar esses modos de falha importantes e classificá-los. Esse acoplamento também permite a redução do número de chamadas ao modelo de elementos finitos. Os cenários de falha são caracterizados como o encurtamento excessivo do concreto e o alongamento do aço. Estes cenários determinam a capacidade última da estrutura, e podem ser representados por um coeficiente escalar que multiplica todas as ações presentes na estrutura. Para a determinação desses estados estruturais últimos, um procedimento incremental-iterativo é utilizado. A análise de confiabilidade é realizada em diferentes conjuntos de realizações aleatórias das variáveis de projeto. O conjunto de respostas estruturais e de realizações permite a determinação dos coeficientes da superfície de respostas da estrutura. O acoplamento realizado permite também o tratamento com estruturas de concreto com elevado número de modos de falha. Aplicam-se as técnicas em exemplos de grelhas de concreto armado / In this work, new local approaches of reliability analysis applied to reinforced concrete grid structures are developed, taking into account several critical cross-section failure probabilities. Monte Carlo simulations are coupled with finite element analyses and optimization techniques with techniques to take into account the failure in the most important cross-sections, in order to classify the severity of failure modes. The failure scenario is depicted when either a concrete fiber or a steel bar reaches the predefined conventional limit. This scenario gives the structural ultimate capacity, which can be represented by a scalar coefficient multiplying all the loads acting on the structure. To achieve the failure scenario, an incremental and iterative procedure is used. To carry out the reliability analysis, the mechanical analysis has to be performed for different sets of random variable realizations of the mechanical, material and geometrical properties. The set of ultimate coefficients obtained from several mechanical analyses defines the response surface. The coupling between Monte Carlo simulations and response surface techniques applied in this work aims to reduce significantly the number of the finite element model calls, and hence to deal with real, or high-scale, reinforced concrete grids where large number of failure components can be found. The proposed procedure is then applied to reinforced concrete grids in order to show some more complex reinforced concrete examples

O trabalho trata da formulação e implementação numérica de modelos matemáticos do comportamento de estruturas considerando-se as não-linearidades física e geométrica. O equilíbrio na posição deslocada é formulado via Princípio dos Trabalhos Virtuais, empregando-se o método dos elementos finitos para a discretização espacial das estruturas e busca de soluções aproximadas. Inicialmente destaca-se com base no caso de treliças planas o emprego de medidas de deformação e tensão conjugadas energeticamente. Particularizando-se a formulação geral do equilíbrio para os pórticos planos apresenta-se uma análise crítica das formulações lagrangiana total e atualizada. Em seguida, tendo-se em vista aplicações às estruturas em concreto armado, aborda-se o comportamento não-linear físico pela mecânica do dano em meios contínuos, empregando-se os modelos de dano para o concreto propostos por Mazars e La Borderie. Estendem-se os estudos do comportamento estrutural não-linear físico (dano) e geométrico incorporando-se a análise dinâmica. Utiliza-se para integração no domínio do tempo o método implícito de Newmark combinado com o procedimento incremental e iterativo de Newton-Raphson. O amortecimento é levado em conta por meio da regra de Rayleigh. Exemplos consistindo de análises não lineares estática e dinâmica de estruturas reticulares planas compõem numéricas. Os resultados obtidos ilustram o desempenho e as potencialidades das formulações empregadas. / The formulation and numerical implementation of mathematical models of the structural behavior of plane frames considering material and geometrical nonlinearities are treated in this work. The Principle of Virtual Work is presented in order to characterize the equilibrium in the displaced position. The structure is discretized by the finite element method. Plane trusses analysis is performed in order to show how important it is to take into account the strain and stress tensors energetically conjugated. Being particularized, the general equilibrium formulation for the plane frames a critical analysis of the total and updated lagrangian formulations is presented. The material nonlinear behavior is modeled by continuum damage mechanics by using both Mazars and La Boderie\'s damage models. The nonlinear analysis is extended including the dynamic response of the reinforced concrete plane frames. The usual iterative Newton-Raphson technique is used combined with implicit Newmark method in order to carry out the integration at time. The damping is introduced by means of the Rayleigh\'s rule. Numerical analysis by a suitable computer program show the theoretical results considering static and dynamic response of plane frames.

Segundo modelos teóricos disponíveis na literatura, foi desenvolvido um algoritmo, com a correspondente implementação de um código computacional, baseado no método dos elementos finitos, a ser aplicado a análises não-lineares físicas e geométricas de pórticos planos em concreto armado, nas quais são levadas em consideração as influências da tensão cisalhante e do processo de danificação do concreto associado ao nível de solicitação da estrutura. Levando-se em conta as hipóteses de Timoshenko, comprovou-se a eficiência da formulação proposta e a aproximação via método dos elementos finitos para a análise de estruturas aporticadas e para a determinação da rigidez de barras elásticas ou danificadas; o modelo é caracterizado como uma aproximação mais precisa que o modelo de Bernoulli para análise de vigas e de pórticos planos. Verificou-se que a formulação lagrangiana atualizada gera resultados bastante satisfatórios para a NLG, tanto para vigas como para pórticos planos, como ressaltado pelos exemplos e que o modelo físico proposto, baseado no modelo de dano de Mazars, apesar de muito rigoroso, leva a resultados de boa aplicabilidade prática. A combinação dos modelos de NLF e NLG, juntamente com a influência da distorção, levou a resultados muito bons. No entanto, para uma comprovação mais realista quanto a acuidade da formulação implementada, seria importante a comparação desses resultados a valores experimentais, que não foi possível nesse trabalho / Following some well-known theoretical models, a numerical algorithm for reinforced concrete frames has been developed and the corresponding computer code implemented. The numerical model was based on the finite elements method and can be applied to geometrical and physical non-linear plane frames analysis. The influences of the shear stresses are taken into account for both, linear and non-linear analyses. In the first case, the stiffness is modified according to Timoshenko’s hypothesis. For physical non-linear analysis, the stiffness is penalized on basis of a well-known damage model for which shear stresses are considered. The geometrical non-linear analysis has been introduced using an updated Lagrangean model. This accurate structural model has proved to be efficient and easily handled for practical purposes, therefore can replace safely similar codes based on Bernoulli’s hypothesis. The combination of physical and geometrical non-linearties seems to be very accurate for practical applications, but experimentations maybe required confirming the accuracy of the proposed combined model

Submitted by Isaac Francisco de Souza Dias (isaac.souzadias@ufpe.br) on 2016-01-29T18:13:48Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Renato_VF_envBib_Vf.pdf: 3061970 bytes, checksum: bb1335c8d40e3a2f9e3f638d37abf5d6 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-29T18:13:49Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Renato_VF_envBib_Vf.pdf: 3061970 bytes, checksum: bb1335c8d40e3a2f9e3f638d37abf5d6 (MD5) Previous issue date: 2015-02-19 / CNPq / Nas ultimas décadas o tópico de otimização tem ampliado suas aplicações e tem sido bastante aprimorado devido principalmente ao crescimento da capacidade computacional. Entretanto, na maioria das aplicações na engenharia, a abordagem tradicional é considerar modelos determinísticos. Porém algum grau de incerteza ou variação de parâmetros na caracterização de qualquer sistema estrutural é inevitável. Infelizmente a abordagem determinística pode levar a soluções cujo desempenho pode cair significativamente e/ou restrições podem ser violadas devido a perturbações decorrentes de incertezas. Neste trabalho, serão examinadas algumas abordagens para a consideração das incertezas no processo de otimização e assim obter projetos robustos e confiáveis em estruturas com comportamento não lineare. Um projeto robusto é aquele que apresenta, além de bom desempenho, uma baixa variabilidade às incertezas do problema. As medidas de robustez utilizadas aqui foram: a média e a variância da função de interesse. Quando se usa ambas as medidas, à busca por um projeto robusto ótimo, surge como um problema de decisão com múltiplos critérios (otimização multiobjetivo robusta). Para o calculo dos parâmetros estatísticos serão empregadas duas técnicas de análise de propagação de incerteza, o método de Monte Carlo (MC) e o método da colocação probabilística (Probabilistic Collocation Method - PCM). Quando se considera além da robustez, a confiabilidade estrutural, tem-se então, um problema de otimização robusta baseada em confiabilidade (RBRDO, Reliability-Based Robust Design Optimization). Neste tipo de problema, alguma restrição associada à probabilidade de falha está presente em sua formulação. Dois métodos para o cálculo da probabilidade de falha da estrutura foram investigados: o MC e o FORM (First Order Reliability Method). Para avaliar a restrição de confiabilidade em um procedimento de otimização, serão utilizadas duas abordagens: uma abordagem chamada RIA (Reliability index approach), onde é necessário calcular a probabilidade de falha (ou índice de confiabilidade) de cada novo projeto e uma abordagem denominada PMA (Performance Measure Approach), para lidar com este tipo de restrições sem a necessidade do cálculo direto da probabilidade de falha. Serão abordados aqui, problemas que envolvem análise não-linear, utilizando o POD (“Proper Orthogonal Decomposition”) para a redução da ordem do modelo computacional e consequentemente, o tempo computacional. As estruturas consideradas são treliças planas e espaciais e estruturas 2D (estado plano) com as considerações das não linearidades físicas e geométricas. / In recent decades the optimization topic has expanded its applications and has been greatly enhanced due mainly to the growth of the computational power available. However, in most engineering applications, the traditional approach is to consider deterministic models. However some degree of uncertainty or variation in the parametric characterization of any structural system is inevitable. Unfortunately, the deterministic approach can lead to solutions whose performance may degrade significantly and/or constraints may be violated due to perturbations caused by uncertainties. In this thesis, some approaches will be examined for the consideration of the uncertainties in the optimization process and thus obtaining robust and reliable designs of structures with nonlinear behavior. A robust design is one that has, in addition to good performance, a low variability of the problem uncertainties. The robustness measures used here were the mean and the variance of the function of interest. When using both measures, the search for a robust optimum design comes as a decision problem with multiple criteria (robust multi-objective optimization). To calculate statistical parameters two techniques of uncertainty propagation analysis will be employed: the method of Monte Carlo (MC) and the Probabilistic Collocation Method (PCM). When considering the structural reliability, in addition to the robustness, it leads to a Reliability-based Robust Design Optimization (RBRDO) problem. In this type of problem, some constraints related with the probability of failure are present in its formulation. Two methods for the approximated computation of the failure probability of the structure were investigated: the MC and the FORM (First Order Reliability Method). To evaluate the reliability constraint in an optimization procedure, two approaches will be used: an approach called RIA (Reliability index approach) where it is necessary to calculate the probability of failure (or reliability index) of each project and an approach called PMA (Performance Measure Approach), to handle such a restriction without the direct computation of the probability of failure. To reduce the order of the computational model, problems involving nonlinear analysis using the Proper Orthogonal Decomposition (POD) will be addressed here, resulting in reduced computational time. The structures considered are plane and space trusses and 2D structures (plan analysis) with the considerations of physical and geometrical nonlinearities.

Nessa dissertação, é investigado o armazenamento e a recuperação de padrões de forma biologicamente inspirada no cérebro. Os modelos estudados consistiram de redes neurais realimentadas, que tentam modelar certos aspectos dinâmicos do funcionamento do cérebro. Em particular, atenção especial foi dada às Redes Neurais Celulares, que constituem uma versão localmente acoplada do já clássico modelo de Hopfield. Além da análise de estabilidade das redes consideradas, foi realizado um teste com o intuito de avaliar o desempenho de diversos métodos de construção de memórias endereçáveis por conteúdo (memórias associativas) em Redes Neurais Celulares. / In this dissertation we investigate biologically inspired models of pattern storage and retrieval, by means of feedback neural networks. These networks try to model some of the dynamical aspects of brain functioning. The study concentrated in Cellular Neural Networks, a local coupled version of the classical Hopfield model. The research comprised stability analysis of the referred networks, as well as performance tests of various methods for content-addressable (associative) memory design in Cellular Neural Networks.

O trabalho trata da formulação e análise da resposta numérica de um modelo de danificação e plastificação localizadas em zonas previamente definidas ao longo de elementos estruturais de barra, estendendo-se os conceitos dos modelos clássicos de plasticidade concentrada. Inicialmente é feita uma breve revisão bibliográfica sobre modelos de dano e plasticidade, destacando-se alguns que contém propostas voltadas para a simplificação de suas formulações ou então da etapa de implementação numérica adotando-se, neste caso, a técnica de discretização em estratos dos elementos de barra. Em seguida, já no âmbito dos modelos ditos simplificados e estendendo-se a formulação de um modelo para estruturas de barras proposto na bibliografia, deduz-se a matriz de rigidez para o caso de barra em regime elástico com dano. Na dedução, considera-se que os processos de danificação, associados à flexão e restritos às extremidades do elemento de viga, são dependentes entre si e afetam diretamente os coeficientes de transmissão de esforços ao longo do elemento. Nesta etapa, através de dois exemplos numéricos, avalia-se a resposta do modelo quando implementado em um programa de elementos finitos. Apresenta-se, na seqüência, um estudo sobre a viabilidade da aplicação do modelo estudado às estruturas em concreto armado, incluindo-se casos em que a distribuição da armadura longitudinal é assimétrica. Como resultado desse estudo, sugere-se uma modificação da função critério de danificação, originalmente empregada, para melhor representar o processo de dissipação de energia relacionada à danificação. A partir dos confrontos entre respostas experimentais de vigas e pórtico em concreto armado e resultados numéricos, conclui-se pelo bom desempenho do modelo modificado. Finalmente, reúnem-se sugestões para a continuidade dos estudos. / This work is related to formulation and numerical analysis of a damage and plasticity model which considers such effects localised on zones previously defined along the structural beam elements, extending the concepts of the classics lumped plasticity models. First of all, a brief bibliography revision on damage and plasticity based models is given, enlightening the ones which propose some kind of simplification at the level of the formulation or only at the stage of the numerical implementation, for instance using a layered technique in a beam element discretization. Afterwards, on the field of the so called simplified models, a stiffness matrix of an elastic damage beam element is deduced, extending the formulation of a framed structures model proposed in the bibliography. The main characteristic of the new element is that the damage processes is localized on hinges at the extremities of the beam element, being the associated damage variables dependent on each other and reducing progressively the transmission efforts factor along the element. Two basic numerical examples show the performance of the model when implemented in a finite element code. Next, a study on the feasibility of the model to analyse reinforced concrete structures is presented. In order to enlarge the application field, cases where longitudinal reinforcement is asymmetrically distributed in the cross section are also considered. As a result of the study, a change in the damage criteria function originally used is suggested, aiming to improve the valuation of the dissipated energy related to the damage process. The response of the modified resulting model is valuated by a confront between experimental and numerical results of beams and frame reinforced concrete structures. The results show a very good performance of the modified model. Finally, some topics for further research on the theme explored in this work are suggested.

Enfrentar situações de falha é o principal desafio do engenheiro estrutural. Parece paradoxal, mas a fim de obter um projeto bem sucedido, o engenheiro estrutural deve estudar e examinar todos os possíveis modos de falha de uma estrutura. Na otimização estrutural não é diferente. Assim, na otimização estrutural deve-se considerar os custos esperados de falha. No projeto de engenharia estrutural, economia e segurança são aparentemente objetivos conflitantes. No entanto, quando custos esperados de falha são considerados, nota-se que investimentos em segurança são necessários a fim de não arcar com os custos esperados de falha. O ponto ideal de compromisso pode ser encontrado por uma otimização de risco, onde a função objetivo inclui todos os custos ao longo do ciclo de vida da estrutura: construção, operação, manutenção inspeção, descarte e as consequências de falha esperadas. Este último é um remanescente que não pode ser desconsiderado dos modos de falha contra os quais a estrutura precisa ser projetada. Esta dissertação aborda a otimização de sistemas estruturais simples, considerando o equilíbrio entre modos de falha concorrentes, tais como escoamento (esmagamento), flambagem e snap-through. O estudo mostra como os diferentes modos de falha, associados a diferentes custos de falha, levam a diferentes projetos ótimos. Uma estrutura de treliça plana é estudada como exemplo de aplicação. A forma (posições nodais) e tamanho dos elementos são consideradas como variáveis de projeto. Resultados mostram que projetos ótimos suficientemente diferentes são obtidos quando o equilíbrio entre modos de falha concorrentes é alterado. / Defying failure is the primary challenge of the structural engineer. It sounds paradoxical, but in order to achieve a successful design, the structural engineer must think about and account for all possible failure modes of a structure. This is not different in structural optimization. Hence, in structural optimization one has to consider the expected costs of failure. In structural engineering design, economy and safety are apparently conflicting goals. However, when expected costs of failure are considered, one notes that investments in safety are necessary in order not to pay for the expected costs of failure. The optimum point of compromise can be found by a risk optimization, where the objective function includes all costs over the life-cycle of the structure: construction, operation, inspection maintenance, disposal, and the expected consequences of failure. The latter are an undeletable remainder of the failure modes that the structure needs to be designed against. This paper addresses the optimization of simple structural systems, considering the balance between competing failure modes such as yielding (squashing), buckling and snap-through. The study shows how different failure modes, associated to different costs of failure, lead to different optimal designs. A plane truss structure is studied as application example. The shape (nodal positions) and member size are considered as design variables. Results show that quite different optimal designs are obtained when the balance between competing failure modes is changed.